שחל אילני

זוכה פרס קריל 2014

ד"ר שחל אילני (Dr. Shahal Ilani) 
יליד 1971, ישראל

מכון ויצמן למדע

 

תחומי מחקר: ננו אלקטרוניקה קוונטית

 

המחקר של ד”ר אילני עוסק בנאנו אלקטרוניקה קוונטית. תופעות קוואנטיות הן תופעות פיזיקליות שמתרחשות בהקשר של עצמים זעירים ביותר כמו אטומים, יונים ואלקטרונים, ואינן ניתנות להסבר במסגרת הפיזיקה הקלאסית, זו שפותחה על ידי ניוטון, למשל. התיאוריה הקוונטית קשה לתפיסה מפני שהיא מנוגדת לאינטואיציה ולניסיוןשלנו, כיווןשבחיי היומיום אנחנו מוקפים בעצמים גדולים, שמאבדים את התכונות הקוונטיות שלהם.האלקטרון, למשל, בניגוד לכל עצם שאנחנו מכירים ב'חיים הרגילים', מתנהג בשני אופנים: מצד אחד הוא חלקיק, כמו כדור קטן הממוקם במרחב, ומצד שני הוא גל, שיכוללהתפשט במרחב ולהתפזר.

 

ההתנהגות הקוואנטית הופכת להיות חשובה מאוד ככל שהאובייקט שבוחנים קטן יותר. נאנו אובייקטים, כאלו שגודלם האופייני הוא מסדר גודל של נאנו-מטרים (ביליונית המטר), מתנהגיםלחלוטין לפי חוקי מכניקת הקוואנטים ולכן הם מספקים לנו שער להבנה של חוקים אלו. בכדי לראות את ההתנהגות הקוואנטית בצורתה הבסיסית והטהורה צריך ליצור חומר מושלם, שהאלקטרונים יכולים לנוע בו רק לפי טבעם, ושניתן לשלוט על הנעשהבו. למרבה הצער, ברובם המוחלט של החומרים הקיימים בטבע יש פגמים: פה ושם חסר אטום או שהחומר מכיל זיהום של חומר אחר.אי-השלמות הזאת היא בדיוק מה שמגביל את תכונות החומרים בטבע.לדוגמא, הסיבה שאנחנו מבזבזים אנרגיה כאשר אנחנו מוליכים חשמל בחוטיהמתכת היא שהמתכת אינה מושלמת – האלקטרון 'רץ'במתכת עד שהוא מתנגשבמקום שחסר בו אטום או באטום זר ואז הוא מוחזר אחורה -לכן חוטי מתכתאינם מוליכים מושלמים.

 

אולם לאחרונה התגלתה צורת חומר חדשה, שכיום מהווה את המוצק הקרוב ביותר לשלמות. מדובר בחומר שנקרא'נאנו-צינוריות של פחמן'. אלה הם גלילים זערוריים, שדומים לחוטים ארוכיםמאוד. כל גליל עשוי משכבה אחת של גרפיט (החומר שנמצא בתוך העיפרון)שבה אטומי פחמן מסודרים במבנים של משושים, המגולגלת לצורתגליל ארוך שקוטרו נאנומטרים ספורים.כל נאנו-צינורית היא מולקולה ענקית, שמתקבלת בתהליך כימי פשוט למדישבו החומר גדל ללא פגמים כגביש מושלם, ולכן התכונות הפיזיקליות שלו הן הטובות ביותר מכל חומר אחר שאנו מכירים: זהו החומר החזק ביותר בטבע(פי 100 מפלדה), מוליך החשמל הטוב ביותר (פי 1000 מנחושת) וכאשר הוא מוליך למחצה אז הוא עולה על הסיליקון, שהוא המוליך למחצה שמשמש אותנו כיוםלבניית כל המחשבים והטלפונים הניידים.

 

עד היום,אפשרויות העבודה המעשית עם הנאנו-צינוריות היו מצומצמות מאודכי בכל פעם שניסו לבנות מהן התקן כלשהו, תהליך הבניה הרס את התכונות המושלמות שלהן.מעבדתו של ד"ר אילני במכון וייצמן פיתחהטכנולוגיה חדשנית,המאפשרת ליצור התקנים שמבוססים על נאנו-צינוריות מבלי לפגוע בתכונותיהן המופלאות. הטכנולוגיה הזאת מאפשרת לחוקריםלקחת באופן עדין מאודאת הנאנו-צינוריות ולסדר אותן בכל צורה שהםרוצים, על כל מעגל חשמלי שהם בוחרים, מורכב ככל שיהיה, וכך ליצור התקנים מורכבים מהבחינה האלקטרונית ומושלמים ברמה האטומית. בהתקנים הללו ניתן לשלוט במספר האלקטרוניםאפילו עד לרמה של אלקטרון בודד. הפיתוח הזה הפך את הנאנו-צינוריות לכלי מחקר בסיסי בתחום התופעות קוונטיות, והיווה קפיצת מדרגה ביכולת לעשות ניסויים מדויקים במצב מוצקוביכולת לשאול שאלות פיסיקליות חדשות לגמרי,שאי אפשר היה לדמיין קודם.

 

אחת הדוגמאות לשאלהבסיסית בפיזיקה, שהרבה שנים ניסו לענות עליה, היא: מה היה קורה לו היינו חיים בעולם חד-ממדי.לא בעולם תלת-ממדי כמו שלנו, ואפילו לא בעולם שטוח ודו ממדי. בעזרת מערכת הנאנו-צינוריות ניתן לענות על השאלה הזו מנקודת המבט של האלקטרונים. אפשרלהשתמש בנאנו-צינוריתבתור חוט, שעליו מסדרים כמה אלקטרונים שרוצים. במעבדה של ד"ר אילני ראושהאלקטרונים'תופסים מרחק' גדול זה מזה, מסתדרים כמו חרוזים במחרוזתויוצרים כעין גביש.ניסוי זה אישר תאוריה מרכזית שהוצעה לפני עשרות שנים, ועד היום לא ניתן היה להוכיחה באופן ניסיוני משוםשלא הייתה בנמצא מערכת ניסיונית נקייה מספיק שבה האלקטרונים מתנהגים בצורתם הטבעית.

 

כפי שאנו יודעים מחיי היום יום תופעות קוונטיות לא מתקיימות לגבי עצמים גדולים, כמו חתולים לדוגמא,ורק חלקיקים זעירים כמו אטומים או אלקטרונים מצייתים למכניקת הקוואנטים. מזה שנים שמדענים מחפשים מערכת יותר גדולה שתתנהג בצורה קוואנטית, וההתקנים שפותחו במעבדתו של ד"ר אילני מתקרבים בצעדים גדולים לאתגר זה. כאשר מחזיקים נאנו-צינורית בשני מקומות, כך שהיא מרחפת באוויר וממקמים אותה מעל לאלקטרודות, היא מתנהגת כמו מיתר של גיטרה. כידוע, ככל שמקצרים מיתרשל גיטרה, מתקבל צליל גבוה יותר (כלומר בתדר גבוה), וזה מה שקורה גם עם הנאנו-צינורית. כיוון שהנאנו-צינורית היא מיתר מאוד מאוד קצר,היא מפיקה צליל גבוה במיוחד, וכאשר היא מגיעה לתדר מספיק גבוה, ההתנהגות שלה –של כל הצינורית, לא רק של אלקטרון בודד בתוכה –הופכת להיות קוואנטית. זה אומר, שהמיתר הזה שעשוי ממיליוני אטומי פחמן מציית לחוקים שהם לגמרי לא אינטואיטיביים. למשל, הוא יכול להיות במצב שבו הוא גם עומד וגם זז, בו זמנית; או להימצא באותו הזמן גם בצד ימין וגם בצד שמאל. כאמור, מכניקת הקוונטים מכירה את הדברים האלה לגבי חלקיקים קטנים, אבל פה מדובר במערכת גדולה יחסית – מיתר העשוי ממיליון אטומים– שמתנהגת כך.

 

המחקרבנאנו-צינוריות הוביל את קבוצתו של ד"ר אילני גם לתגליות שימושיות בעלות חשיבות פוטנציאלית לתעשייה. הודות לתכונות המושלמות שיש לחוטשעשוי מנאנו-צינורית, הוא יכול לתפקד כגלאי רגישלפוטנציאלים חשמליים,למעשה, הכי רגיש שקייםכיום בעולם.כאשר מניחים את הנאנו-צינורית בקצה של מחט זעירה, כמו זו של פטיפון, ניתן לסרוק את הגלאי הזה על פני מעגלים של מוליכים למחצה, דוגמת אלו שנמצאים בליבת המחשב או הטלפון הסלולרי, ולבחון את תפקודם. במעגלים אלו ישנם מיליארדי מפסקים אלקטרוניים (טרנזיסטורים) שפועלים בקצב מהיר מאד כדי לייצר את פעולת החישוב. בעזרת הגלאי החדש שפותח במעבדתו של ד"ר אילני ניתן למפות את המתחים החשמליים במעגלים אלו וכך לאתר בהם פגמים. בקרת האיכות הזו של רכיבי האלקטרוניקה היא קריטית בשלב הייצור, ויכולהליעל משמעותית את יצורם של רכיבים אלו.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;