הגרפין – החומר המוזר “היחסותי”, האם יגיע השנה לפרס נובל?

גרפין – האם תתנו לו השנה פרס נובל בפיזיקה?

כאשר משתמשים בעיפרון לצייר קו פשוט על נייר, שכבות של גרפיט נותרות על גבי הנייר – הגרפיט מורכבת מערמות של שכבות פחמן שנערמות זו על גבי זו. לאחרונה הצליחו לבודד שכבה בודדת של גרפיט הקרויה גרפין.

מאז בידוד הגרפין ההתעניינות בחומר היא עצומה בכל העולם בגלל תכונותיו החשמליות המיוחדות. לגרפין תכונות כמו, הוא מתנהג כאילו האלקטרונים שלו הם חסרי מסה. כלומר, המטענים החשמליים בגרפין נראים כאילו הם חלקיקים יחסותיים ללא מסה (בעלי מסת מנוחה שהיא אפס). החלקיקים החדשים קרויים פרמיוני דירק חסרי מסה והם מתוארים על ידי תורת היחסות של אינשטיין (מה שנקרא משוואת דירק). פירושו שיש לגרפין תכונות שהן מוסברות על ידי תורת היחסות של אינשטיין. כמו למשל, הפרמיונים של דירק חסרי המסה נמשכים על ידי שדות מגנטיים באופן כזה שהם רוכשים מסה דינמית של תנועה שמתוארת על ידי המשוואה המפורסמת של אינשטיין  .E = mc2

זה דומה מאוד למקרה של פוטונים – חלקיקי האור – שלהם גם כן אין מסה והם עדיין יכולים לחוש את משיכת הכבידה של השמש עקב מסתם הדינמית שמתוארת על ידי אותה המשוואה בדיוק.

Einstein’s relativity theory proven with the ‘lead’ of a pencil

Graphene behaves as if the electrical current is not carried by normal electrons but by charged particles with no mass at all

בינואר 2008 פורסם מאמר בכתב העת Nature nanotechnology בעמודים 10 – 11 על ידיRod Ruoff  תחת הכותרת “Calling all Chemists”. המאמר עסק בטכניקות כימיות ליצרית גרפין – שכבות בודדות של אטומי פחמן– בתוך הגרפיט. הלהיט החדש במדע החומרים ובננוטכנולוגיה. החומר המבטיח בתעשיית הננו-אלקטרוניקה.

בגיליון של גרפין כל אטום פחמן יוצר קשרים עם שלושה אטומי פחמן אחרים כדי ליצור מבנה דמוי חלת-דבש.

Image:Graphene xyz.jpg

גרפין

קשרי הפחמן-פחמן האלה הם חזקים מאוד וזה מה שגורם לגרפין להיות יציב גם כאשר הוא נחתך למבנה ברמות הננו. המבנה יכול להתקמט ולעבור דפורמציות ולא להשבר. יציבות מכנית זו מובילה ליציבות אלקטרונית. לגרפין יש תכונה מאוד מיוחדת שהוא במצב חומר אלקטרוני שבין מוליך למחצה ובין מוליך מתכתי. המוביליות של המטען בגרפין היא גבוהה ביותר.

עד כה מרבית הניבויים התיאורטיים שבוצעו בנוגע לגרפין אומתו מבחינה ניסויית – והרי זהו הישג מרשים. אם כי יש בעיות ביישומים טכנולוגיים וישום ביצור, קשיים פראקטיים – אבל העתיד מבטיח.

הגרפין יכול אפילו לעניין קוסמולוגים שמתעניינים בהתנהגות החלקיקים הקוואנטים היחסותיים במרחבים עקומים מאקרוסקופים. ומדוע? התוצאות של הניסויים בגיליונות גרפין מעוקמים יכולים לספק להם רעיונות למחשבה כך שהם יישמו אותם למחקרם:

Cortijio,A. & Vozmediano, M.A.H., Nucl. Phys. B 763, 293-308 (2007).

במאמר “קורא לכל הכימאים”, רואף כתב, “הצד הכימי בסיפור הגרפין רק התחיל”. והוא הוסיף, “ובגלל המספר העצום של תנופות שהכימיה מספקת, יהיה דיאלוג גובר בין הכימאים לחוקרים בתחומים שונים (כמו פיזיקה, חומרים ופרוססינג [עיבוד]), שאחרת הם היו עשויים רק לעבוד עם גרפין בצורתו הראשונית”. הכימאים היו עסוקים בהזנקת התחום מאז, כפי שניכר במספר המאמרים הרבים שפורסמו בנושא. הכימאים מנסים לשלב קומבינציות של חומרים אחרים כמו חומצה חנקנית בין שכבות הגרפין ובעזרת סוניקציה (גלי קול) יוצרים גיליונות גרפין שמדגימים הולכה חשמלית גבוהה בטמפרטורות החדר.

זוהי רק דוגמא אחת מיני רבות לעלייה הניסויית בתחום הגרפין שהחלה מאז 2004 ומאז פרסום מאמרם החלוצי של אנדרה גאיים וקוסטיה נובוסלוב מהמכון לטכנולוגית מיקרואלקטרוניקה בצ’רנוגולובקה ברוסיה שבכלל החל עם כל התחום של הגרפין:

אנדרה גאיים

קוסטיה נובוסלוב

Novoselov, K. S. et. al., Science 306, 666 (2004).

Geim, A.K. & Novoselov, K.S., Nature Mater 6, 183-191 (2007).

גאיים ונובוסלוב הזניקו את הגרפין לתודעה שלנו יחד עם שותפיהם מאוניברסיטת מנצ’סטר בבריטניה בה הם עבדו.

ב-2005 גאיים, נובוסלוב ושותפיהם ובנפרד פיליפ קים, הורסט סטורמר והקולגות שלהם מאוניברסיטת קולומביה בארה”ב העבירו זרם חשמלי דרך גיליון של גרפין ומצאו שהמוביליות של האלקטרונים על הגרפין יכולה להיות עצומה בטמפרטורות החדר: פי 10 יותר מהמוביליות של שבב סיליקון:

Zhang, Y., Tan, J., Stormer, H.L. & Kim, P. Nature 438, 201-204 (2005).

במוליכים למחצה ומוליכים רגילים המוביליות לרוב מוגבלת בגלל דפקטים שישנם בחומר, אבל הטוהר המבני שיש לגרפין פירושו שהאלקטרונים יכולים לנוע מרחקים עצומים – מעל ל-300 ננומטרים – וזאת מבלי שיתפזרו. זוהי מוביליות מרשימה שבקושי מושפעת משינויים בטמפרטורה או מנוכחות של מטען עודף בגיליון הגרפין.

וזאת הסיבה מדוע חברות כמו אינטל ו-IBM כבר החלו לעבוד על הגרפין ולחשוב על היישומים שלו ליצירת רכיבים אלקטרוניים. יש לזכור שמדע הננוטכנולוגיה התחיל בכלל במעבדות IBM ברושליקן אשר ליד ציריך.

graphene interference

אחת הבעיות בשימוש בגרפין כאלטרנטיבה לסיליקון היא בעית ההפרעות ותוך שימוש בעוד שכבת גרפין הצליחו להפחית במשהו את בעית ההפרעות.

Nano Lett., 8 (8), 2119–2125, 2008. 10.1021/nl080241l
Web Release Date: February 26, 2008 Copyright © 2008 American Chemical Society

Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nanodevices

Yu-Ming Lin* and Phaedon Avouris

IBM T. J. Watson Research Center, Yorktown Heights, New York 10598

Received January 24, 2008

Revised February

כאן

הזינוק הניסויי בגרפין החל תוך שימוש בדבק סקוץ’ טייפ כדי לקלף את הגרפין מדוגמית של גביש גרפיט; וגם תוך שימוש בגישה מתוחכמת יותר של גידול אפיטקסיאלי של גרפין על חומרי סליקון קרביד. מיד אחר כך הופיעו מספר פריצות דרך בפיזיקה:

Van den Brick, J. Nature Nanotech 2, 199-201( 2007).

Berger, C., et all, J. Phys Chem B 108, 19912-19916 (2004).

היה ידוע מזה זמן רב שההתנגדות של מוליך דו-ממדי מאוד טהור משתנה בדרך מסוימת כאשר מיישמים שדה מגנטי חיצוני. לפי אפקט הול הקלאסי, שנתגלה ב-1879 על ידי הפיזיקאי האמריקאי אדווין הול, התנגדות הול היא פרופורציונית לשדה המגנטי. אבל באפקט הול הקוונטי, שנצפה לראשונה במוליכים למחצה מאוד טהורים ב-1980, התנגדות הול מקוונטטת. מה זאת אומרת? היא גודלת ביחידות של h/ve2

אם משנים את השדה המגנטי, כאשר h הוא קבוע פלנק, v הוא קבוע ו-e הוא מטען האלקטרון.

אפקט הול הקוונטי הזה לא ניתן לתצפית במוליכים למחצה קוונטים רגילים בטמפרטורה מעל בערך ל-30K בגלל שפלוקטואציות פנימיות מגבילות את האפקטים הקוונטים העדינים שאחראים לו. נובוסלוב ושותפיו צפו באפקט הול הקוונטי בגרפין בטמפרטורות החדר. זה אפשרי בגלל שהאנרגיה שדרושה לאפקט הול הקוונטי במוליכים למחצה רגילים היא פרופורציונית הפוך למסה האפקטיבית של האלקטרונים, בעוד שבגרפין – בגלל מבנהו האלקטרוני המיוחד – המסה האפקטיבית של האלקטרונים המוליכים נעלמת:

Novoselov, K.S., et al, Nature 438, 197-200 (2005).

בנוסף, לאוניד פונומרנקו, פרדריק שדין, נובוסלוב וגאיים מדווחים על התוצאות הראשונות לעבר היישומים של הגרפין בתעשיית הננו אלקטרוניקה: הטרנזיסטור חד-אלקטרון שכולו בנוי מגרפין (SET) ופועל בטמפרטורת החדר. ה-SET פועל בסקאלות גודל הקטנות ביותר והוא מתמרן את הזרמים הקטנים ביותר. ניתן לדמיינו כמעין נקודה קוונטית או מעין “קופסא” שתחזיק אלקטרונים. זאת כאשר אלקטרונים יכולים להכנס ולצאת מהנקודה הקוונטית באמצעות אלקטרודות נפרדות. האלקטרונים חולפים על פני הנקודה הקוונטית בזה אחר זה, כל פעם אלקטרון אחר בתורו, וזאת בגלל שיש ביניהם דחית קולון, ולכן שני אלקטרונים אינם יכולים לשבת על הנקודה הקוונטית בו-זמנית. אם הרכיב הוא “פתוח”, הזרם יכול לזרום באמצעות הנקודה הקוונטית. אולם אם אלקטרון בודד נשאר כלוא על גבי הנקודה, למשל על ידי ישום של שדה חשמלי, אזי אלקטרונים אחרים לא יכולים לחלוף וה-SET הוא “סגור”. השדה החשמלי שפותח וסוגר את ה-SET מסופק על ידי אלקטרודות שער ליד הנקודה הקוונטית:

Geim, A.K. & Novoselov, K.S., Nature Mater 6, 183-191 (2007)

הוברט הירש וקבוצתו מהאוניברסיטה הטכנולוגית דלפט שבהולנד מדווחים על הטרנזיסטור על-מוליך הראשון שמבוסס על הגרפין. בעקרון רכיבים אלקטרוניים על מוליכים מבזבזים מינימום של חשמל לעומת אלקטרוניקה רגילה. בנוסף, הם מספקים מיתוג אלקטרוני בזמן מהיר מאוד. הגרפין הוא לא חומר על-מוליך. אבל כמו שאר החומרים הוא יכול לתמוך בעל-זרם למרחקים קצרים כאשר ממקמים אותו בין שתי אלקטרודות על-מוליכות בגלל אפקט ג’וזפסון. בעל מוליך ההתנגדות החשמלית נעלמת לגמרי בטמפרטורות מאוד נמוכות. פירושו שזרם חשמלי יכול לזרום אפילו ללא מתח שמיושם אליו. זהו על-זרם. כאשר הגרפין, שאין לו תכונות על מוליכות מחובר עם העל מוליך, הוא יכול להתנהג כמו על מוליך וזהו אפקט ג’וזפסון.

כדי שניתן יהיה ליישם זאת יש לדאוג שגרפין לא יהרוס את הקוהרנטיות הקוונטית שבין האלקטרונים בצמדי הקופר שנכנסים לגיליון הגרפין מהאלקטרודות העל-מוליכות בצומת הג’וזפסון. תוך הקטנת הממדים של הרכיב לרמת הננו ותוך לקיחה בחשבון של הטוהר של הגרפין, הצוות מאוניברסיטת דלפט הצליח להשיג את הקוהרנטיות הקוונטית הדרושה כדי ליצור טרנזיסטור על מוליך.  

Heersche, H., Jarillo-Herrero, P., Oostinga, J. B., Vandersypen, L.M.K., & Morpurgo, A. F., Nature 446, 56-59 (2007).

Super-carbon: superconductivity and relativity meet in a monolayer of graphite

מסתבר בכלל שאת התיאוריה של הגרפין הציע ב-1947 פיליפ וולאס, שפרסם מאמר תחת הכותרת “תורת הרמות של הגרפיט”:

Wallace, P.R., Physical Review 71, 622-634 (1947).

אוניברסיטת מנצ’סטר, שהמציאו את שיטת הקילוף המכני, הקימו סטארט אפ ליצור גיליונות גרפין בשם Graphene Industries. זאת למרות ששיטה זו היא איטית בגלל שזקוקים למיקרוסקופ אופטי כדי לחפש את הגיליונות הבודדים של הגרפין בין החומר המקולף. לעומת זאת, השיטה המתוחכמת יותר, הגישה האפיטקסיאלית שגם הודגמה על חומרים אחרים, היא יקרה יותר, אבל היא יותר מתאימה ליישומים אלקטרוניים.

2008 נראה שמסמלת את פריחת המחקר בגרפין לכיוונים שונים. חוקרים שונים מחפשים עתה האם חומרים דו-ממדים דוגמת הגרפין הם יציבים? האם ניתן להשתמש בהם לתעשיית ננו-אלקטרוניקה חדשה? האם ניתן לבנות מהם טרנזיסטורים חדשים?

Mayer, J. et all, Nature 466, 60-63 (2007).

הפיזיקאי המפורסם לב לנדאו טען עוד בשנות השלושים ופיזיקאים תיאורטיים נוספים טענו גם כן, שמבנים דו-ממדים הם לא יציבים, ולכן דרוש מחקר מקיף נוסף ויש לחקור היטב את תכונותיו של הגרפין.

Landau, L.D., Phy. Z. Sowjetunion 11, 26-35 (1937).

המדענים צריכים קודם כל להבין את התכונות של הגרפין וזאת בטרם תשומת הלב תופנה ליצירת רכיבים אלקטרונים משוכללים וליישומים מעשיים:

Freitag, M., Nature Nanotech 3, 455-457 (2008).

וגם צופים מהפיכה בנשיאת התרופות עם הגרפין:

Liu, Z., Robinson, J.T. Sun, X. & Dai,H. arxiv.org/abs/0807/4959

PEGylated Nano-Graphene Oxide for Delivery of Water Insoluble Cancer Drugs

בעוד חקרו את הפיזיקה והכימייה ואת הישומים הפוטנציאלים שיש לגרפין לרכיבים ננו-אלקטרוניים, מעט דובר ונעשה מבחינה ניסויית כדי לחקור את הגרפין במערכות ביולוגיות עבור ישומי in vitro ו-in vivo (כלומר ישומים חוץ ותוך גופיים). החוקרים במאמר זה נטלו גיליונות גרפין אוקסידי ברמת הננו (NGO) בגודל קטן מ-50 ננו-מטרים וכל זאת כדי לגלות האם ניתן לחבר את הגיליונות של הגרפין האלה לתרופות ארומתיות נוגדות סרטן מסיסות במים. היתרונות של גיליונות הגרפין האלה הם מבטיחים מבחינה ביולוגית היכן שהננו-צינורות (ננו-טיובים) מפחמן לא מתאימים לשאת את התרופות הנ”ל בתוך הגוף.

מחקר הגרפין הוא בחיתוליו ויש לא מעט בעיות טכנולוגיות ביצור הרכיבים והגרפין עצמו. חרף זאת מספר פריצות הדרך הניסוייות שבוצעו במהלך שלוש השנים האחרונות הוא עצום. התחלת יצירת הננו-אלקטרוניקה שמבוססת על הגרפין נראית עתה אפשרית גם אם היא מאוד מסובכת, ההתחלה בוצעה. גרפן מחוזק לחוזק

ועתה להימורים. מי אתם חושבים שיזכה השנה בפרס נובל לפיזיקה?

הנה אלפרד נובל למטה מהרהר בסוגיה:

עזרו לאלפרד נובל להחליט!

 

 

1) המועמדים הראשונים הם אנדרה גאיים וקוסטיה נובוסלוב מהמכון לטכנולוגית מיקרואלקטרוניקה בצ’רנוגולובקה ברוסיה על גילוי הגרפין. 

2) המועמדת השניה לפרס נובל היא ורה רובין על גילוי העדות המהימנה ביותר להמצאות החומר האפל. המושג הלוהט ביותר היום בפיזיקה (בן הזוג של האנרגיה האפלה).

Image:Rubin vera f1.jpg

ורה רובין

3) תקשיבו היטב. מועמד משלנו! דן שכטמן מהטכניון. הטכניון שלנו מוציא נובליסטים ומועמדים לנובל.

דן שכטמן

שכטמן התחיל עם התחום שהוביל לקוואזי-גבישים: בהפשטה משהו בין גביש לזכוכית.

4) רוג’ר פנרוז. אתם מכירים את הציורים של מ.ס. אשר?

הנה אחד הפסיפסים המוזרים של אשר:

 

רוג’ר פנרוז חקר מבנים דומים שנקראים: “הרעפים של פנרוז”. כלומר:

Penrose tiling.

כאשר הם מיושמים כמבנה פיזיקאלי הם קוואזי-גבישים (וזה כמובן בהסבר מאוד מפושט):

Image:Pen0305c.gif

ישנה חברה בשם Thomson Reuters והיא חברת הימורים שמהמרת מי יזכה כל שנה בפרסי הנובל בתחומי הדעת השונים במדעים השונים והיא מפרסמת את ההמורים שלה.

להלן ההימור של החברה בנוגע לפיזיקה: הימורים בנובל בפיזיקה  

 ANDRE K. GEIM, F.R.S., Langworthy Research professor, Chair of Condensed Matter Physics. and Director of Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester,  Manchester, UK • Mott MedalEurophysics prize
SCIENCEWATCH
andKOSTYA NOVOSELOV, Royal Society Research Fellow, Department of Condensed Matter Physics, University of Manchester, Manchester, UK • Europhysics prize “for her pioneering research indicating the existence of dark matter in the universe”VERA C. RUBIN, Senior Fellow, Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institute for Science, Washington, D.C. USA • James Craig Watson MedalWinner of the Gold Medal of the Royal Astronomical Society  


“for their related discoveries of, respectively, Penrose-tilings and quasicrystals”SIR ROGER PENROSE , O.M., F.R.S., Emeritus Rouse Ball Professor of Mathematics, University of Oxford, UK • Copley Medal recipientQuasicrystalsThe 1988 Wolf Foundation Prize in Physics
SCIENCEWATCHandDAN SHECHTMAN, Phillip Tobias Professor of Materials Science, Technion • Israel Institute of Technology. Haifa, Israel; and Department of Materials Science and Engineering, Iowa State University, Ames, IA USA • The 1999 Wolf Foundation Prize in Physics  


CITATION LAUREATES IN PHYSICS: STILL IN THE RUNNING FOR THE NOBEL PRIZE 2002-2005

MICHAEL B. GREEN and JOHN H. SCHWARZ and EDWARD WITTEN YOSHINORI TOKURA; SHUJI NAKAMURA 2006 ALAN H. GUTH AND ANDRE LINDE and PAUL J. STEINHARDT; EMMANUEL DESURVIRE and MASATAKE NAKAZAWA and DAVID N. PAYNE2007 MARTIN J. REES; SUMIO IIJIMA; ARTHUR B. MCDONALD  

 

 

Advertisements

0 thoughts on “הגרפין – החומר המוזר “היחסותי”, האם יגיע השנה לפרס נובל?

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s