חוקרים פיתחו חומר מהונדס שאלקטרונים עוברים בו במהירות גבוהה, ואף מדלגים בין השכבות שלו

חוקרים פיתחו מוליך למחצה מהונדס חדש, שבו אלקטרונים נעים במהירות רבה מאוד לעומת מתכות ואף "מדלגים" על שכבות בחומר. החוקרים מקווים שהחומר החדש יהיה שימושי לייצור התקנים אלקטרוניים מהירים, ומנסים להבין את הפיזיקה שעומדת מאחורי הדילוג של האלקטרונים.

התשובה טמונה כנראה במבנה החומר שבו השתמשו החוקרים. בשנת 2010 קיבלו אנדרה גיים (Geim) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) פרס נובל בפיזיקה על גילוי שיטה חדשה לייצור של גרפן – שכבה דקה אחת של אטומי פחמן. הגילוי פתח צוהר לעולם חדש של הנדסת חומרים שנעשית על ידי הנחת שכבות בעובי אטום יחיד של חומרים שונים, זו על גבי זו.

החומרים האלה נקראים גם "חומרי ון-דר-ולס", על שם הפיזיקאי ההולנדי יוהנס דידריק ון-דר-ולס. השם בא כמובן מכוחות ון-דר-ולס, הכוחות הבין-מולקולריים שפועלים בין השכבות השונות ומחזיקים אותן צמודות זו לזו. מכיוון שאין צורך בהתאמה מיוחדת של החומרים בשכבות השונות, חומרי ון-דר-ולס מאפשרים בנייה והנדסה של מבנים מסובכים יחסית – פשוט מניחים שכבה על גבי שכבה והן נדבקות מעצמן.

חומרי ון-דר-ולס נחקרים במעבדות רבות בעולם, בין השאר במטרה להבין איך מתנהגים האלקטרונים בחומרים השכבתיים האלה, כדי שנוכל לנצל אותם לשימוש במכשירים אלקטרוניים. מחקר חדש באוניברסיטת קנזס ואוניברסיטת נברסקה בדק את מעבר האלקטרונים בין השכבות של מוליך למחצה תלת-שכבתי הבנוי כמעין "כריך" של של שכבת טונגסטן די-סולפיד (WS2) הנמצאת בין מוליבדנום די-סולפיד (MoS2) ומוליבדנום די-סלניד (MoSe2).

החוקרים גילו שמעבר האלקטרונים בעובי החומר, מהשכבה העליונה לתחתונה, מהיר במיוחד ומתרחש תוך פיקו-שנייה - מיליונית המיליונית של השנייה. אם נזכור שעובי החומר הוא רק כמה ננומטרים – מיליארדיות המטר – יוצא שהאלקטרונים נעים במהירות של כאלף מטר בשנייה! מדובר במהירות גבוהה מאוד, במיוחד אם זוכרים שבחוטי נחושת רגילים האלקטרונים נעים במהירות של פחות ממטר בשנייה. וזה לא הכל. כשבחנו היכן האלקטרונים נמצאים במהלך המעבר, התברר שהם "מדלגים" על השכבה האמצעית – אין כל עדות שהם עברו בשכבת הטונגסטן די-סולפיד.

חומרים מוליכים למחצה שמעבירים זרם חשמלי במהירות כזו יוכלו אולי לשמש בעתיד לייצור התקני שידור ועיבוד אותות חשמליים שיהיו מהירים יותר מאלו הקיימים כיום. החוקרים מייחסים הן את המעבר המהיר והן את הדילוג לאופיים הקוונטי של האלקטרונים, אך מדגישים כי התוצאות אינן מצביעות בפני עצמן על המנגנון שבו האלקטרונים עוברים בין השכבות, ושיש להמשיך לחקור את הנושא כדי להגיע לשורש התופעה.