רעיון שנשמע במשך שנים כמו מדע בדיוני מתחיל לקבל צורה ממשית: האפשרות לבנות חומר חדש אטום אחר אטום, ולחקור אותו בעזרת מחשבים הפועלים על פי חוקי מכניקת הקוונטים עצמם.
מחקר חדש של IBM Research , שנערך בשיתוף מדענים מאוניברסיטאות מובילות באירופה, מציג דוגמה מרשימה במיוחד לכיוון הזה. צוות החוקרים הצליח לתכנן, להרכיב ולאפיין מולקולה בעלת מבנה אלקטרוני יוצא דופן שלא תועד קודם לכן בספרות המדעית.
העבודה פורסמה בכתב העת Science והיא מדגימה כיצד שילוב בין ניסויים אטומיים מדויקים לבין מחשוב קוונטי יכול לחשוף תופעות חדשות בעולם החומרים.
מדובר בהישג מדעי מרשים בפני עצמו, אך גם בהצצה למה שעשוי להפוך בעתיד לכלי מרכזי בתכנון חומרים חדשים.
שני החזונות של פיינמן
המחקר מתחבר לשני רעיונות מפורסמים שהציג הפיזיקאי Richard Feynman כבר לפני עשרות שנים.
בשנת 1959 נשא פיינמן הרצאה במכון הטכנולוגי של קליפורניה תחת הכותרת "There’s plenty of room at the bottom". בהרצאה זו העלה רעיון שנשמע אז כמעט דמיוני: אם נצליח לשלוט באטומים בודדים ולמקם אותם כרצוננו, נוכל ליצור צורות חומר חדשות לחלוטין.
כעבור שני עשורים העלה פיינמן רעיון נוסף. מאחר שהטבע עצמו פועל על פי חוקי מכניקת הקוונטים, הדרך המדויקת ביותר לדמות אותו היא באמצעות מערכות חישוב קוונטיות.
במחקר החדש, שני הרעיונות הללו נפגשים בפעם הראשונה בצורה כמעט מוחשית. החוקרים בנו מבנה מולקולרי חדש ברמת האטום, והשתמשו במחשוב קוונטי כדי להבין את התנהגותו.
מדוע מולקולות קשות כל כך לחישוב
כדי להבין את חשיבות ההישג צריך לזכור עד כמה מורכבות מערכות מולקולריות.
בכל מולקולה מתקיימים יחסי גומלין מורכבים בין אלקטרונים רבים. התנהגותם מתוארת באמצעות פונקציות גל קוונטיות, והאינטראקציות ביניהן יוצרות מספר עצום של מצבים אפשריים.
מספר המצבים האפשריים של האלקטרונים גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר האטומים במערכת. כתוצאה מכך, אפילו מחשבי על מתקשים לבצע חישוב מדויק של מערכות מולקולריות מורכבות, משום שהיקף החישוב גדל במהירות עצומה.
לכן חוקרים משתמשים לרוב בשיטות קירוב שונות. שיטות אלו מאפשרות להבין חלק מההתנהגות של המערכת, אך במקרים מסוימים הן אינן מספיקות.
כאן נכנסים לתמונה מחשבים קוונטיים. מאחר שהם פועלים על פי אותם עקרונות פיזיקליים שמכתיבים את התנהגות האלקטרונים עצמם, הם עשויים לאפשר סימולציה טבעית יותר של מערכות מולקולריות מורכבות.
מולקולה שלא נראתה בעבר
במרכז המחקר עומדת מולקולה שנוסחתה C₁₃Cl₂. מדובר במולקולה אורגנית מבוססת פחמן ממשפחת המבנים הפוליציקליים, כלומר מערכת של טבעות פחמן המחוברות זו לזו.
אולם הייחוד של המולקולה אינו בהרכב הכימי שלה אלא במבנה האלקטרוני.
החוקרים מצאו כי האלקטרונים במולקולה אינם מתנהגים כפי שמצופה במערכת טבעתית רגילה. במקום לחזור למצבם המקורי לאחר מחזור אחד סביב הטבעת, הם עוברים שינוי פאזה הדרגתי.
בכל סיבוב סביב הטבעת מתבצע פיתול של כ־90 מעלות בפאזה האלקטרונית. המשמעות היא שהמערכת חוזרת למצבה המקורי רק לאחר ארבעה מחזורים.
מבנה כזה מכונה טופולוגיה אלקטרונית מסוג half-Möbius. ניתן לדמיין אותו כגרסה מולקולרית של Möbius strip, משטח מתמטי בעל פיתול יחיד שבו מסלול אחד מתהפך לפני שהוא חוזר לנקודת ההתחלה.
לדברי החוקרים, מדובר במחלקה חדשה של מבנים אלקטרוניים במולקולות שלא תוארה בעבר.
בנייה אטום אחר אטום
כדי ליצור את המולקולה השתמשו החוקרים בטכניקות מתקדמות של מניפולציה אטומית.
נקודת המוצא הייתה מולקולה שסונתזה באוניברסיטת University of Oxford. במעבדות IBM בציריך שינו החוקרים את המבנה שלה באמצעות הסרה מבוקרת של אטומים בודדים.
העבודה בוצעה בתנאי ואקום אולטרה גבוה ובטמפרטורות הקרובות מאוד לאפס המוחלט. תחת מיקרוסקופ מנהור סורק הוזזו אטומים והוסרו בזה אחר זה עד לקבלת המבנה הרצוי.
שיטה זו מאפשרת למעשה לבנות מבנים מולקולריים בצורה מדויקת ביותר, כמעט כמו הרכבה של מערכת זעירה ברמת האטום.
איור 1: משמאל: תמונת STM של צפיפות האורביטלים במולקולת .half-M?bius מימין: הדמיה קוונטית של אותה מולקולה. קרדיט: .IBM Research, University of Manchester
מורשת מדעית ארוכה
הניסוי נשען על סדרת פריצות דרך שנולדו במעבדות IBM בציריך לאורך עשרות שנים.
בשנת 1981 פיתחו הפיזיקאים Gerd Binnig ו־Heinrich Rohrer את מיקרוסקופ המנהור הסורק, שאפשר לראשונה לצפות במשטחים ברזולוציה אטומית. על פיתוח זה קיבלו השניים פרס נובל לפיזיקה בשנת 1986.
בשנת 1989 הראה הפיזיקאי Donald Eigler כי ניתן גם להזיז אטומים בודדים באמצעות המכשיר, הישג שהפך לאבן דרך בתחום הננוטכנולוגיה.
בניסוי הנוכחי נעשה שימוש גם במיקרוסקופ כוח אטומי. בעוד ה־STM משמש הן כעיניים והן כידיים של החוקרים ומאפשר לראות אטומים ואף להזיז אותם, ה־AFM פועל יותר כמו מחט עדינה של פטיפון זעיר. הוא סורק את פני המולקולה ומודד את הכוחות הזעירים בין קצה החיישן לבין האטומים כדי לחשוף את המבנה הגאומטרי שלה.
כיצד סייע המחשב הקוונטי
לאחר יצירת המולקולה הגיע השלב המורכב ביותר: הבנת ההתנהגות האלקטרונית שלה.
המערכת מציגה קורלציות אלקטרוניות חזקות ומבנה קוונטי מורכב. שיטות חישוב קלאסיות מתקדמות מסוגלות להתמודד עם חלק מהבעיות הללו, אך במקרה זה הן מתקשות לתאר את כל המצבים האפשריים.
לכן החוקרים אימצו גישה חישובית חדשה המכונה quantum-centric supercomputing, שבה מחשבים קלאסיים ומעבדים קוונטיים פועלים יחד.
החישובים בוצעו באמצעות אלגוריתם בשם SqDRIFT על גבי מעבד קוונטי מתקדם מסוג IBM Heron, תוך שימוש במרחב חישובי שכלל עד כ־100 קיוביטים.
מטרת הסימולציה לא הייתה להדגים את יכולות החומרה בלבד, אלא לפענח את המבנה האלקטרוני של המולקולה ולהשוות אותו לתצפיות הניסוייות.
שליטה בטופולוגיה של המולקולה
אחת התוצאות המעניינות ביותר של המחקר היא האפשרות לשלוט בטופולוגיה האלקטרונית של המולקולה.
החוקרים הצליחו להעביר את המערכת בין שלושה מצבים שונים: מצב half-Möbius ימני, מצב half- Möbius שמאלי ומצב טופולוגי רגיל. המעבר בין המצבים מתבצע בצורה הפיכה, כלומר ניתן לשנות את המבנה האלקטרוני ואז להחזירו למצב הקודם.
בנוסף הראו החוקרים כי ניתן להפוך את כיוון הסיבוב של המולקולה מימני לשמאלי. תכונה זו הופכת את המערכת למעשה למעין מתג קוונטי זעיר, ואף מרמזת על אפשרות להשתמש במבנים מולקולריים דומים כרכיבי זיכרון ברמה האטומית.
מדוע זה חשוב לתעשייה
למרות שמדובר במולקולה אחת בלבד, המשמעות של המחקר רחבה בהרבה.
תחום גילוי החומרים נשען כיום במידה רבה על ניסוי וטעייה. מדענים בוחנים שילובים שונים של אטומים ומבנים מולקולריים בתקווה למצוא תכונות רצויות, תהליך שעלול להימשך שנים רבות.
מחשוב קוונטי עשוי לשנות זאת. במקום לגלות חומרים במקרה, ניתן יהיה בעתיד לתכנן אותם מראש באמצעות סימולציות מדויקות של המבנה האלקטרוני שלהם.
גישה כזו עשויה להשפיע על פיתוח קטליזטורים לתעשייה הכימית, חומרים חדשים לסוללות מתקדמות, רכיבים אלקטרוניים מולקולריים ואפילו תכנון תרופות.
צעד נוסף לעבר עיצוב חומר
המחקר הנוכחי עדיין אינו מהווה מהפכה תעשייתית, אך הוא מסמן התקדמות משמעותית.
היכולת לבנות מולקולות אטום אחר אטום, להבין את המבנה האלקטרוני שלהן באמצעות סימולציה קוונטית ואף לשלוט בטופולוגיה שלהן, פותחת אפשרויות חדשות במדעי החומרים.
יותר משישים שנה לאחר שפיינמן דיבר על האפשרות לעצב חומר ברמה האטומית, נראה שהחזון הזה מתחיל לקבל צורה ממשית.
העולם המדעי אולי עדיין רק בתחילת הדרך, אך המחקר החדש מציע הצצה לעידן שבו ניתן יהיה לא רק לגלות חומרים חדשים אלא ממש לתכנן אותם מן היסוד.
תמונת שער: הדמיית המסלול הייחודי של האלקטרונים במולקולה, כפי שחושב ע"י המחשב הקוונטי של IBM. קרדיט: חברת IBM ואוניברסיטת מנצ'סטר
מקורות:
,IBM Research Blog מאמר המחקר שפורסם בכתב העת Science
