טכנולוגיה חדשנית לשליטה מדויקת בזרימת אלקטרונים אולטרה־מהירה

מה נדרש כדי לראות אלקטרון נע בחומר? נדרשות רזולוציה מרחבית גבוהה מאוד ויכולת לעקוב אחר תנועת האלקטרון בפרקי זמן קצרים לאין שיעור.

צוות בהובלת הטכניון חיבר בין שתי היכולות האלה באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק. החוקרים השתמשו בפולסי לייזר שעוצבו בקפידה כדי לשלוט בכיוון זרימת האלקטרונים, תוך שמירה על רזולוציה מרחבית ננומטרית. המחקר, בהובלת פרופ’ מיכאל קרוגר מהפקולטה לפיזיקה, פורסם בכתב העת Nature Photonics.

החוקרים השתמשו במיקרוסקופ המצויד במחט בעלת קצה חד בגודל ננומטרי. כאשר מקרבים את קצה המחט לפני השטח של הדגימה, אלקטרונים יכולים לחצות את המרווח ביניהם. זוהי תופעה קוונטית הקרויה מנהור. זרם המנהור הנמדד במיקרוסקופ מאפשר לחוקרים למפות את פני השטח בדיוק גבוה מאד. מיקרוסקופ מסוג זה נקרא “מיקרוסקופ מנהור סורק” והוא מתאפיין ברזולוציה רוחבית של כשני ננומטרים ומזהה שינויי גובה זעירים בפני השטח גם בטמפרטורת החדר ובאוויר (ללא ואקום).

המעקב אחר תנועתם המהירה של האלקטרונים במרווח הזעיר שבין קצה המחט לפני שטח הדגימה, הוא אתגר משמעותי שלא נפתר עד למחקר הנוכחי. חוקרי הטכניון כיוונו רצף של פולסי לייזר, המורכבים משני תדרים (שני צבעים) בתחום האינפרא־אדום, אל המרווח שבין קצה המחט לדגימה. באמצעות שינוי התזמון היחסי בין שני הצבעים שינו החוקרים את צורת פולס הלייזר, וכך הצליחו להשפיע על כוון תנועת האלקטרונים בין קצה המחט אל הדגימה או בכיוון ההפוך. שינוי צורת הפולס, במקום הדלקה וכיבוי חוזרים של הלייזר, סייע לחוקרים להבחין בין הזרם האולטרה־מהיר לבין רעשים לא רלוונטיים הנגרמים כתוצאה מאפקטים של חימום.

“אני זוכר בהתרגשות את היום שבו ד”ר עדי גולדנר והסטודנטים שלנו, דניאל דוידוביץ’ ובויאנג מא, הגיעו למשרד שלי עם מדידה חדשה ומרגשת,” אומר פרופ’ קרוגר. “סוף־סוף הצלחנו להוכיח מעל לכל ספק שאנחנו מסוגלים לשלוט בכיוון הזרם.”

השוואת המדידות למודלים תאורטיים אפשרה לחוקרים לשחזר פרצי זרם שנמשכו 860 אטו־שניות (מיליונית של מיליארדית השנייה). המודלים הראו גם כיצד שדה האור מסייע לאלקטרון לחצות את המרווח: הוא מאפשר את המעבר דרך המחסום, מאיץ את האלקטרון ומניע אותו אל תוך פני השטח.

השגתן של המדידות האמינות התקבלה לאחר מספר שנים של עבודה מעשית. “בדקנו שלוש מערכות לייזר שונות, ובנינו מחדש את המערך האופטי פעמים רבות, עד שהצלחנו להבחין בבירור בין הזרם האולטרה־מהיר לבין הרעש,” אומרת ד”ר גולדנר, מהנדסת המעבדה בקבוצת המחקר של פרופ’ קרוגר.

הממצאים סוללים דרך חדשה לצפייה בתנועת אלקטרונים, תוך כדי התרחשותה, במיקומים מסוימים בחומר. לדברי פרופ’ קרוגר, המחקר עשוי גם לתרום לפיתוח אלקטרוניקה עתידית שבה גלי אור ישלטו בזרמים בקני מידה ובמהירויות החורגים מיכולותיהם של ההתקנים הקיימים.

המחקר מומן על ידי מועצת המחקר האירופית (ERC), הקרן הלאומית למדע (ISF) ומרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון. השתתף בו הפיזיקאי התאורטיקן אנדריי בוריסוב מהמכון למדעים מולקולריים באורסיי שבצרפת, המשותף ל־CNRS ולאוניברסיטת פריז־סאקלה, ומהמרכז הבין־לאומי לפיזיקה דונוסטיה שבספרד.

למאמר בכתב העת Nature Photonics  לחצו כאן