טלוויזיה קוונטית?

עשרות שנים לאחר הופעתה הטלוויזיה עדיין חיה ובועטת, ומרתקת אליה מיליארדי אנשים ברחבי העולם, שמוצאים בה חדשות ואקטואליה, בידור ושעשוע, ריאליזם ואסקפיזם. הקופסאות הגדולות שתפסו מקום על המזנון פינו את מקומן למסכים דקים שמציעים איכות צפייה גבוהה. אבל גם אם נדמה שהטכנולוגיות הקיימות כבר הגיעו למיצוי, חוקרים ממשיכים לפתח חידושים שאולי ימצאו את דרכם לסלון שלנו.

אחת מהטכנולוגיות הללו, שמאמר על אודותיה התפרסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, מעניינת לא רק מהצד הטכנולוגי אלא גם בהיבט של המדע הבסיסי, ובפרט, בפיזיקה הקוונטית. צוות החוקרים, שמגיע ברובו מתחום הכימיה וההנדסה באוניברסיטאות בקוריאה ובמישיגן, מצביע על סוג חדש של נורות לֵד שמבוססות על חומר אורגני. לדבריהם, הטכנולוגיה המוצעת מאפשרת לקבל תצוגת צבעים חדה יותר, ולהחליף את המתכות הכבדות שמשמשות בטכנולוגיות הנוכחיות בחומר היברידי קל יחסית.

אבל רגע לפני, בואו נחזור לבסיס. אף שנראה כי מדובר על שני נושאים שונים, פלואורנות (פלואורסְצֶנְציה; fluorescence) וזַרְחוֹרָנוּת (פוֹסְפוֹרֵסְצֶנְציה, phosphorescence) הן שתי תופעות נפרדות אבל דומות. שתיהן חלק מתופעה כוללת בשם נהורנות (לומינסצנציה), שמתארת פליטת אור מחומר ללא קשר לטמפרטורה שלו – על כן יש כאלה שמכנים אותה "אור קר". לומינסצנציה יכולה לנבוע ממקורות שונים, שבהם השראה של כוחות חשמליים ומגנטיים, תהליכים כימיים ותנועות של אטומים.

בפלואורנות משך הפליטה האופייני הוא ננו-שניות. מבחר מינרלים תחת אור אולטרה-סגול פולטים אור בתהליך הפלאורנות | Hannes Grobe/AWI, Wikimedia

נקודות של אור

פלואורנות וזרחורנות מתארות מצב שבו מולקולות של חומר מקבלות מנת אנרגיה ממקור אור חיצוני, ובתגובה לכך פולטות אור באופן ספונטני, כלומר כתוצאה מירידה באנרגיה של החומר. בפלואורנות משך הפליטה האופייני הוא ננו-שניות (מיליארדיות השנייה), בעוד שבזרחורנות הוא יכול לנוע בין מילי-שניות (אלפיות השנייה) לשעות אחדות.

נורות לד מבוססות על מעבר חד-כיווני של זרם חשמלי בחומר מוליך למחצה, שמביא לפליטה של אור באורכי גל מוגדרים. נורות OLED הן נורות לד זרחורניות, שבהן המוליך למחצה הוא חומר אורגני. עם זאת, גם בהן נעשה שימוש במתכות כבדות.

בנורות OLED החומר האורגני קשור בקשרים כימיים חלשים למתכות כמו אירידיום או פלטינה, שמשפרות את עמידות הנורה. בנוסף הן חיוניות מבחינה יישומית: הפיקסלים – נקודות האור שמהן מורכבת התמונה – מתחדשים בקצב של 120 פריימים לשנייה. כיוון שהזרחורנות של החומר האורגני מתרחשת בקצב איטי יותר, עלולה להיווצר תמונת רפאים – גרר שנובע מחוסר ההתאמה בין הקצבים. המתכות, שהן חלק אינטגרלי מהנורות הללו, משמשות להאצת הקצב של הזרחורנות, ולגרום לתהליך הפליטה להתרחש בתוך מיקרו-שניות (מיליוניות השנייה) במקום מילי-שניות.

עם זאת, המתכות הכבדות אינן אידיאליות: יש להן השפעות סביבתיות מזיקות, זמן חיים קצר יחסית והן גם לא זולות במיוחד. המחקר החדש מציע תחליף יעיל, בלי לוותר על היתרונות החיוניים שלהן. החומר החדש מורכב ברמה המיקרוסקופית מיריעה דו-ממדית המורכבת מהיסודות מוליבדן וזרחן, שנמצאת סמוך ליריעה של חומר אורגני פולט אור.

המבנה ההיברידי הזה מאפשר להשיג את האפקט, שבאופן מסורתי נוצר באמצעות המתכות שנקשרות לחומר האורגני, באמצעות קרבה פיזית בין החומר האורגני ליריעה שמאיצה את קצב הזרחורנות פי אלף. היעדר הקישור הכימי בין החומר האורגני למתכת מאפשר לו להחזיק מעמד זמן ארוך יותר, וליצור תצוגה ברזולוציה גבוהה, בדיוק כמו בשיטות הקיימות.

כדי להשלים את הפיתוח החוקרים עדיין צריכים למצוא פתרון לבעיה של שריפת פיקסלים, שמתרחשת כשהנורה פולטת אור כחול באנרגיה גבוהה. התהליך הזה יוצר התחממות מקומית של הפיקסלים, שעלולה להאיץ את בלייתם. השיטות החדשות עוקפות את הבעיה הזו, שכן תצוגות OLED משתמשות בפיקסלים ירוקים ואדומים המבוססים על זרחורנות, בעוד הפיקסלים הכחולים משתמשים בפלואורנות, שהיא תהליך פחות יעיל מבחינה ניצול האנרגיה, אך כזה שמונע התחממות יתר.

מבוססות על מעבר חד-כיווני של זרם חשמלי בחומר מוליך למחצה, שמביא לפליטה של אור באורכי גל מוגדרים. נורות LED ירוקות ואדומות | Science Photo Library

יש גם ספין

בדרך לחומר החדש גילו החוקרים הפתעה שקשורה לספין – תכונה קוונטית של חלקיקים. סיפרנו לכם לאחרונה על עקרון האיסור של פאולי, שעל פיו שני חלקיקים זהים מסוג מסוים, למשל אלקטרונים, לא יכולים להימצא באותו מצב קוונטי. לכן, כשמדובר בצמד אלקטרונים, הספינים שלהם (תכונה קוונטית של חלקיקים) יכולים להצביע בכיוונים נגדיים (מצב סינגלט); או בכיוונים זהים ובאנרגיות שונות (מצב טריפלט). על פי החוקרים, החומר ההיברידי החדש נמדד בתנאים מסוימים: צמד אלקטרונים בעלי אנרגיה זהה וספין משותף. כלומר, זהו מצב טריפלט בלתי אפשרי, כי הוא בגדר מפר את עקרון האיסור של פאולי.

אומנם החוקרים עדיין לא מבינים מה מתרחש באמת ברמה המיקרוסקופית שגורם להפרת העיקרון היסודי הזה, אך הדבר לא עצר בעדם לפתוח בהליכי רישום פטנט ולחפש חממה טכנולוגית שתהפוך את הלד החדש למוצר מדף. אז נכון, יש טלוויזיות חכמות, אבל עדיין אין טלוויזיה שמבינה את מכניקת הקוונטים.