בשנת 2004 פרץ לעולמנו החומר הדק ביותר שנודע עד אז – גרפן.
גרפן הינו חומר שמורכב אך ורק מאטומי פחמן המסודרים בסריג של חלת-דבש. ייחודו בכך שהאטומים מסודרים רק בשני מימדים כך שהשכבה של חלת-הדבש הינה בעובי של אטום בודד.
זהו החומר הדו-מימדי הראשון שהוצג לעולם.
ד"ר משה חרץ – המעבדה לחומרים דו-מימדיים
במה מתבטאת הדו-מימדיות? הרי האטומים עצמם עדיין תלת-מימדיים וחיים בעולם תלת מימדי! ההגדרה של חומר דו-מימדי נובעת מכך שאלקטרונים יכולים לנוע אך ורק בתוך שכבת החומר הדו-מימדי ומאידך הם מנועים מלנוע במימד השלישי, מחוץ לשכבה.
מאז התחום התפתח ויש מאות של חומרים דו-מימדיים. המעבדה שלי מתמקדמת במדידות אופטיות מתקדמות של חומרים דו-מימדיים מסוג של מוליכים למחצה, תחת מתיחויות אלסטיות.
נשאלת השאלה הברורה מאליה – כיצד ניתן למתוח בצורה אלסטית חומר דו-מימדי? הרי לא ניתן לתפוס חומר בעובי של אטום בודד עם מלקחיים ולמתוח אותו? לשם כך חלק מעבודת המעבדה הינה פיתוח שיטות חדשות של מתיחות אלסטיות של חומרים דו-מימדיים.
המחקר בחומרים דו-מימדיים עובר לשלב הבא – חיבור של חומרים דו-מימדיים שונים אחד על השני. ניתן לראות זאת כמשחק בלגו עם דרגת חופש נוספת שאינה קיימת בלגו רגיל – זוית הסיבוב בין חלת-הדבש של חומר אחד לעומת חלת-הדבש של השכבה הבאה של החומר הבא בתור. בעזרת שליטה בזוית הזאת הצליחו להראות תופעות מעניינות וביניהן יצירה של פוטונים בודדים המשמשים לתקשורת קוונטית מאובטחת וכן על-מוליכות בשכבות גרפן שעליהן ניתן פרס וולף בפיסיקה בשנת 2020.
מגוון הנושאים שהמעבדה חוקרת נע בין נושאים טכנולוגיים קלאסים כגון חישה של גזים מסוכנים על ידי חומרים דו-מימדיים, מדידות אלסטיות של חומרים דו-מימדיים בשכבות שונות ובזויות שונות בין השכבות וביצירה של פוטונים בודדים שהינה טכנולוגיה קוונטית מתקדמת. פוטונים בודדים הינם אבן בניה בתקשורת קוונטית כפי שהוזכר קודם, והם קיימים בחומרים דו-מימדיים אם כי הגורם ליצירתם עדיין לא ברור. המעבדה מאובזרת בציוד קריאוגני המאפשר קירור של הדוגמאות עד לטמפרטורה של הליום נוזלי (4 מעלות קלווין מעל האפס המוחלט), ויחד עם השיטות האופטיות והאלסטיות שהמעבדה מצטיינת בהן, אנחנו חוקרים את המנגנון של יצירת פוטונים בודדים עם שימושיים עתידיים בתקשורת קוונטית מאובטחת.
טונגסם דיסולפיד(WS2) מונואטומי תלוי מעל חור בממרנה של סיליקון ניטריד על סיליקון, ונמתח במלמטה על ידי טיפ של מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM)
(מתוך Frisenda, R., Castellanos-Gomez, A. Strain creates a trion factory. Nat. Photonics 14, 269–270 (2020). )
