New-Tech Magazine | March 2026 | Digital Edition

שהמערכת חוזרת למצבה המקורי רק לאחר ארבעה מחזורים. מבנה כזה מכונה טופולוגיה אלקטרונית . ניתן לדמיין אותו כגרסה half - Möbius מסוג , משטח מתמטי בעל Möbius strip מולקולרית של 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 . במעבדות University of Oxford באוניברסיטת בציריך שינו החוקרים את המבנה שלה IBM 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. מורשת מדעית ארוכה הניסוי נשען על סדרת פריצות דרך שנולדו בציריך לאורך עשרות שנים. IBM במעבדות ו־ Gerd Binnig פיתחו הפיזיקאים 1981 בשנת את מיקרוסקופ המנהור Heinrich Rohrer הסורק, שאפשר לראשונה לצפות במשטחים ברזולוציה אטומית. על פיתוח זה קיבלו השניים . 1986 פרס נובל לפיזיקה בשנת Donald Eigler הראה הפיזיקאי 1989 בשנת כי ניתן גם להזיז אטומים בודדים באמצעות המכשיר, הישג שהפך לאבן דרך בתחום הננוטכנולוגיה. בניסוי הנוכחי נעשה שימוש גם במיקרוסקופ משמש הן כעיניים והן STM כוח אטומי. בעוד ה־ כידיים של החוקרים ומאפשר לראות אטומים פועל יותר כמו מחט AFM ואף להזיז אותם, ה־ עדינה של פטיפון זעיר. הוא סורק את פני המולקולה ומודד את הכוחות הזעירים בין קצה החיישן לבין האטומים כדי לחשוף את המבנה הגאומטרי שלה. הדמיית המסלול הייחודי תמונת שער: « של האלקטרונים במולקולה, כפי שחושב ע"י .IBM המחשב הקוונטי של ואוניברסיטת מנצ'סטר IBM חברת קרדיט:

.half-M?bius של צפיפות האורביטלים במולקולת STM משמאל: תמונת : 1 איור « מימין: הדמיה קוונטית של אותה מולקולה. .IBM Research, University of Manchester קרדיט:

להשתמש במבנים מולקולריים דומים כרכיבי זיכרון ברמה האטומית.

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 , quantum - centric supercomputing המכונה שבה מחשבים קלאסיים ומעבדים קוונטיים פועלים יחד. החישובים בוצעו באמצעות אלגוריתם בשם על גבי מעבד קוונטי מתקדם מסוג SqDRIFT , תוך שימוש במרחב חישובי IBM Heron קיוביטים. 100 שכלל עד כ־ מטרת הסימולציה לא הייתה להדגים את יכולות החומרה בלבד, אלא לפענח את המבנה האלקטרוני של המולקולה ולהשוות אותו לתצפיות הניסוייות. אחת התוצאות המעניינות ביותר של המחקר היא האפשרות לשלוט בטופולוגיה האלקטרונית של המולקולה. החוקרים הצליחו להעביר את המערכת בין half - Möbius שלושה מצבים שונים: מצב שמאלי ומצב half - Möbius ימני, מצב 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 שליטה בטופולוגיה של המולקולה

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. מקורות: מאמר המחקר שפורסם IBM Research Blog , Science בכתב העת

New-Tech Magazine l 34