מעגל חשמלי בגודל של מולקולה

האם ניתן לייצר רכיבים אלקטרוניים שגודלם אינו עולה על זה של מולקולה בודדת? ואם נצליח לשלב רכיבים כאלה בתוך מעגלים חשמליים, האם הם יפעלו בדומה לחומרים המקובלים, הגדולים, או שאולי יהיו להם תכונות מיוחדות, שיאפשרו ליצור מערכות חדשות לחלוטין?

ד"ר אורן טל, שמקים בימים אלה את מעבדתו החדשה במחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה שבמכון ויצמן למדע, סבור שהדרך הנכונה לענות על השאלות האלה היא לחקור את ההיבטים הבסיסיים ביותר של הולכת אלקטרונים דרך מולקולות בודדות.

"אנו מעוניינים להבין את העקרונות הבסיסיים של הולכת אלקטרונים דרך ננו-מבנים. מולקולות הן ננו-מבנים מעניינים במיוחד, שכן ניתן לשלוט בצורה טובה במבנה המולקולה, בהרכבה האטומי ובאופי הקשר בין האטומים. תכונה זו מאפשרת לנו לחקור את הקשר בין מבנה המולקולה להתנהגות זרם האלקטרונים העובר דרכה.

הבנה עמוקה של הקשר בין מבנה להולכה תאפשר לנו לשלוט בזרם האלקטרוני בסקאלה הננומטרית, ואף עשויה להוביל, בעתיד, לפריצות דרך טכנולוגיות. בנוסף, ייתכן שבמהלך המחקר אף נלמד דברים חדשים על העולם בו אנו חיים", אומר ד"ר טל.

איך תופסים מולקולה?

כדי לחקור את המולקולות, על ד"ר טל לתפוס אותן תחילה. לצורך כך הוא משחרר מולקולות לתוך חלל של תא ריק (ואקום), שמקורר לטמפרטורה של ארבע מעלות מעל האפס המוחלט (269 מעלות צלסיוס מתחת לאפס).

מלכודת המולקולות שלו עשויה מחוט מתכת המחובר לבסיס גמיש. כשהבסיס נדחף מלמטה הוא מתכופף, החוט נמתח ונקרע בנקודה מסוימת - שהייתה חלשה מראש. בעקבות זאת נפתח רווח בין שני מקטעי החוט, שגודלו מאפשר כניסת מולקולה אחת.

באמצעות מדידת הזרם העובר דרך החוט יכול ד"ר טל לדעת אם נתפסה מולקולה ברווח בין מקטעי החוט (האלקטרודות), ולבדוק מה קורה לה כשאלקטרונים עוברים דרכה.

מכיוון שהבסיס המתכופף מאפשר לשלוט במרחק בין האלקטרודות בדיוק מסדר גודל של מאית האנגסטרום (אנגסטרום היא עשירית מיליונית המילימטר), ניתן למתוח את הגשר המולקולרי שנוצר, ולבחון את השפעת המתיחה על ההולכה ואף על תנודות המולקולה.

למעשה, המולקולה שנלכדה הופכת לחלק ממעגל חשמלי שכולל את המולקולה ושתי האלקטרודות. כיצד משפיעה המולקולה על זרם האלקטרונים במעגל החשמלי? האם תכונות המולקולה משתנות, או תכונות האלקטרודות?

המולקולות בניסויים של ד"ר טל נקשרות ישירות לאלקטרודות, ובמקרים רבים, לאופי הקשר הכימי שנוצר יש השפעה נכבדה על תכונות ההולכה של הגשר המולקולרי.

כשנגיע לגשר...

במחקרו הבתר-דוקטוריאלי חקר ד"ר טל מולקולות פשוטות, כגון מימן מים ובנזן. מאז, ד"ר טל ותלמידי המחקר במעבדתו, תמר ילין ורן ורדימון, התקדמו למולקולות מורכבות יותר, הקרויות אוליגואצנים (oligoacenes), אשר מורכבות מיחידות חוזרות של טבעות פחמניות.

המולקולה הבסיסית ביותר במשפחה הזאת, בנזן, היא טבעת פשוטה המכילה שישה אטומי פחמן. מולקולת הבנזן גולשת אל בין האלקטרודות בניצב אליהן, ובזמן מתיחת הגשר המולקולרי היא נוטה על צידה, כך שהחפיפה עם האלקטרודות קטנה. תנועה זו משנה את מוליכות המולקולה, באופן דומה לעמעם. השימוש באוליגואצנים מאפשר לחקור את התנאים בהם ההולכה של הגשר המולקולרי גבוהה כשל הולכת אטומי מתכת.

מה גורם לגשר המולקולרי להיות מוליך טוב או רע יותר? במילים אחרות, מה קובע את מעבר אלקטרונים דרכו? כל גשר מולקולרי מגביל את זרם האלקטרונים דרכו למספר ערוצי הולכה בעלי יכולת הולכה מוגבלת.

ד"ר טל מזהה את הערוצים האלה באמצעות שיטה מיוחדת, המאפשרת לו "להאזין לרעש" הנוצר כתוצאה מהחזרת חלק מהאלקטרונים אל האלקטרודה ממנה באו.

ספינטרוניקה

מחקר נוסף שמתכנן ד"ר טל לבצע במעבדתו במכון ויצמן למדע קשור לתחום חדש - "ספינטרוניקה". הספינטרוניקה מבוססת על שימוש בתכונת הספין האלקטרוני בנוסף לתכונת המטען, לצורך יצירת התקנים אלקטרונים.

הספין של האלקטרונים יכול להימצא באחד משני מצבים: למעלה או למטה. התקנים ספינטרוניים עשויים להיות יעילים מאוד מבחינת צריכת האנרגיה ומהירות פעולתם, ובעיקר לאפשר פעולות שאינן ניתנות לביצוע על ידי התקנים אלקטרוניים רגילים.

כדי לפתח מעגלים ספינטרונים, על המדענים לפתח דרך מבוקרת שבאמצעותה יוכלו לשלוט במצבי הספין ולשמור עליהם. ד"ר טל מתכוון ללכוד מולקולות בעלות צורות מעניינות, לדוגמה מולקולות בעלות סימטריה כיראלית.

הוא סבור שתנועת אלקטרונים במבנה דמוי בורג עשויה, בתנאים מסוימים, להעניק עדיפות להולכת ספינים בעלי מצב מסוים.

המאמר פורסם במגזין מכון ויצמן למדע.