שנים אחרי שהטכנולוגיה הוותיקה ננטשה לטובת הטרנזיסטורים הזעירים, חוקרים מציעים עכשיו לשוב לשפופרות הריק כפתרון למגבלות המחשבים החדישים ביותר

מכשירים חשמליים מודרניים, כמו טלפונים חכמים ומחשבים ניידים, הולכים ומשתפרים ללא הרף: הם מיוצרים בממדים קטנים יותר, מבצעים חישובים מהר יותר ומאפשרים לאחסן יותר מידע בשטח הולך וקטן. אולם יש גבול ליכולת שלנו להמשיך ולשפר את הטכנולוגיה הנוכחית, עקב תכונות בסיסיות של המרכיבים היסודיים שלה – טרנזיסטורים מבוססי מוליכים למחצה, ובעיקר סיליקון.

קבוצת חוקרים מהמחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו דיווחה לאחרונה שהצליחה לפתח התקן אלקטרוני שאינו מבוסס על מוליכים למחצה. במקום זאת הוא משתמש בשפופרות ריק זעירות, שמסוגלות להעביר אלקטרונים בקצב מהיר פי שבעה ממתקן מקביל מבוסס סיליקון.

באחד משימושיהם העיקריים, טרנזיסטורים הם מעין מתג אלקטרוני שמעביר זרם חשמלי רק מעבר למתח חשמלי מסוים. כך אפשר לייצר אותות של "יש זרם" או "אין זרם" כבסיס לקוד בינארי של אפס (אין זרם) ואחד (יש זרם) – לב לבו של כל מחשב וכונן קשיח. מוליכים למחצה, ובפרט סיליקון, הם חומר נהדר לטרנזיסטורים, מכיוון שמעצם מהותם הם מוליכים זרם רק מעל מתח מסוים.


הגישה הטובה ביותר לשימושים מיוחדים. התקן שפופרות הריק | מקור: UC San Diego Applied Electromagnetics Group

חזרה לעתיד

אולם כאן גם מתחילות הבעיות. ראשית, מתחת לגודל מסוים המוליכים למחצה מפסיקים להיות מוליכים למחצה והופכים להיות מוליכים רגילים, וכך מאבדים את יכולתם לשמש בסיס למתגים. הטכנולוגיות הנוכחיות מתקרבות יותר ויותר לגבול הזה – עשרות ננומטרים בודדים. בשל המגבלה הזו נעשים מאמצים רבים לתכנן טרנזיסטורים המבוססים על חומרים שאינם סיליקון, ולאחרונה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת ברקלי אף דיווחה בכתב העת Science על טרנזיסטור בגודל של ננומטר בודד בלבד.

הבעיה השניה בטרנזיסטורים מבוססי מוליכים למחצה היא שכדי ליצור זרם, האלקטרונים צריכים לעבור דרך חומר מוצק, שם הם מתנגשים באטומים של החומר שמאטים את מהירות זרימתם ופוגעים במוליכות המתקן. כדי להתגבר על הבעיה הזו פנו החוקרים לשפופרות ריק, שבהן אלקטרונים נעים בריק ולכן אינם מתנגשים באטומים אחרים. כך משתפרות באופן דרמטי מהירות זרימתם ומוליכות המתקן.

במובן מסוים מדובר בחזרה אחורה, מכיוון ששפופרות ריק היו הבסיס למחשבים הראשונים ובאמצעותם פותחה השפה הבינארית שאפשרה ביצוע חישובים ואחסון מידע בשנות ה-30 וה-40 של המאה ה-20. למעשה, גם המחשב הראשון בארץ, ויצאק (Weizmann Automatic Calculator), שפותח במכון ויצמן למדע בשנות ה-50, פעל בתחילה על בסיס שפופרות ריק.

אולם לשפופרות הראשונות היה חיסרון גדול. כדי ליצור בהן זרם של אלקטרונים היה דרוש מתח גבוה, קרוב ל-100 וולט, או טמפרטורה של כ-700 מעלות צלזיוס. אלה כמובן שתי תכונות בעייתיות מאוד כשרוצים לשלב את השפופרות הללו בהתקנים שגודלם מיקרונים אחדים.

כדי להתגבר על כך יצרו החוקרים התקן זעיר המבוסס בעיקרו על "מטא-משטח" הבנוי ממעין פטריות זהב שמונחות בין רצועות דקיקות של זהב. ההתקן תוכנן כך שכאשר מפעילים עליו מתח של עשרה וולט, ובה בעת מקרינים אותו באור תת-אדום, נוצרות בו "נקודות חמות" שבהן מצטבר שדה חשמלי גבוה דיו שמוביל לשחרור אלקטרונים מאטומי הזהב לחלל הריק.

ההתקן החדש אמנם מגביר את מהירות זרימת האלקטרונים ואת המוליכות שלהם אך אינו נותן מענה אמיתי לבעיית הגודל, ונכון לעכשיו אי אפשר לייצר אותו בצורה מסחרית וזולה כמו מוליכים למחצה. לאור זאת האם הוא באמת יוכל להחליף אותם באופן גורף? לדברי מוביל הפרויקט דן סיבנפייפר (Sievenpiper), "השפופרות ודאי לא יחליפו את כל המכשירים מבוססי מוליכים למחצה, אבל זו עשויה להיות הגישה הטובה ביותר לשימושים מיוחדים, כמו תדירויות גבוהות מאוד או מכשירים שצורכים אנרגיה גבוהה. אנחנו עדיין צריכים להבין עד כמה אפשר להקטין את ההתקנים הללו, ואילו ביצועים אפשר להפיק מהם".

סרטון של אוניברסיטת קליפורניה (באנגלית) על הפיתוח החדש: