על מיקרוסקופ מגנטי חדש ועל הפרומגנט שלא היה
06/03/2017
היום בסדרת הנשים החוקרות של מדע גדול, בקטנה, אלה לכמן מספרת על מיקרוסקופ מגנטי שהיא בנתה, ואיך היא השתמשה בו לחקור מבודדים טופולוגיים.
כמו שכתבתי גם בהקדמה לתזה שלי (שהוגשה לא מזמן, טפו טפו חמסה מלח מים ועוד דברים שהילדים המגניבים אומרים היום) – התקדמויות מדעיות לוו כמעט תמיד בפיתוח טכנולוגי כלשהו שאפשר אותן.
מכיוון שחוש הראייה הוא חוש כה חשוב בתפיסתנו את העולם, היכולת לראות דברים חדשים מיד מלהיבה את דמיוננו ועוזרת לנו להבין טוב יותר "מה הולך כאן?". המיקרוסקופים האופטיים הראשונים הוכיחו את מה שפסטר ניסה להראות לעולם עם בקבוקים מוזרים בעלי פיה מעוקלת. הטלסקופים הראשונים גילו כוכבי לכת חדשים ואפילו את הירחים שלהם. כל שיפור של סדר גודל במיקרוסקופים ובטלסקופים הביא את האנושות מעבר לגבול הידע הקיים והרחיב אותו.
היום, המדע המודרני כבר לא מוגבל בהדמיה על ידי אופטיקה ליניארית בלבד, ומיקרוסקופים מסוגים שונים קיימים מזה זמן רב.
תחום מאוד רחב במיקרוסקופיה נקרא "מיקרוסקופ חיישן סורק" בתרגום חופשי (Scanning Probe Microscopy), והוא מבוסס על קיומו של חיישן כלשהו הסורק את הדוגמה. בניגוד למיקרוסקופ אופטי, שבו התמונה מתקבלת באופן מקבילי ומידי, במיקרוסקופ הסורק – כשמו כן הוא – החיישן עובר מעל הדוגמה ובכל נקודה מודד ערך. דמיינו את אופן פעולתה של מדפסת – בכל נקודה על הדף צריך להיות צבע מסוים והמדפסת עוברת נקודה-נקודה, שורה-שורה, וכן הלאה.
כמו שכתבתי גם בהקדמה לתזה שלי (שהוגשה לא מזמן, טפו טפו חמסה מלח מים ועוד דברים שהילדים המגניבים אומרים היום) – התקדמויות מדעיות לוו כמעט תמיד בפיתוח טכנולוגי כלשהו שאפשר אותן.
מכיוון שחוש הראייה הוא חוש כה חשוב בתפיסתנו את העולם, היכולת לראות דברים חדשים מיד מלהיבה את דמיוננו ועוזרת לנו להבין טוב יותר "מה הולך כאן?". המיקרוסקופים האופטיים הראשונים הוכיחו את מה שפסטר ניסה להראות לעולם עם בקבוקים מוזרים בעלי פיה מעוקלת. הטלסקופים הראשונים גילו כוכבי לכת חדשים ואפילו את הירחים שלהם. כל שיפור של סדר גודל במיקרוסקופים ובטלסקופים הביא את האנושות מעבר לגבול הידע הקיים והרחיב אותו.
היום, המדע המודרני כבר לא מוגבל בהדמיה על ידי אופטיקה ליניארית בלבד, ומיקרוסקופים מסוגים שונים קיימים מזה זמן רב.
תחום מאוד רחב במיקרוסקופיה נקרא "מיקרוסקופ חיישן סורק" בתרגום חופשי (Scanning Probe Microscopy), והוא מבוסס על קיומו של חיישן כלשהו הסורק את הדוגמה. בניגוד למיקרוסקופ אופטי, שבו התמונה מתקבלת באופן מקבילי ומידי, במיקרוסקופ הסורק – כשמו כן הוא – החיישן עובר מעל הדוגמה ובכל נקודה מודד ערך. דמיינו את אופן פעולתה של מדפסת – בכל נקודה על הדף צריך להיות צבע מסוים והמדפסת עוברת נקודה-נקודה, שורה-שורה, וכן הלאה.
התחום של מיקרוסקופי חיישנים סורקים הוא מאוד מגוון, מכיוון שהמידע המתקבל תלוי בסוג החיישן. אם למיקרוסקופ חיישן המודד את גובה פני השטח של הדוגמה, התוצאה תהיה מפה טופוגרפית. אם למיקרוסקופ חיישן המודד את הטמפרטורה על פני הדוגמה, נקבל מפת חום. הדוגמאות הן רבות ומגוונות, אבל העקרונות של השיטה הם דומים. מה צריך בשביל חיישן סורק טוב?
הדבר הראשון שברור שצריך הוא שהחיישן יהיה רגיש מספיק למה שרוצים למדוד. הדבר השני הוא שהחיישן צריך להיות קטן מספיק. למה קטן? ובכן, נסו לדמיין מצלמה שבה כל פיקסל הוא בגודל של עשרה סנטימטרים. תמונת פספורט ממצלמה כזו תהיה בלתי אפשרית לזיהוי [1]. אפשר לומר שגודל החיישן קובע את הרזולוציה של התמונה שנקבל, אבל זה לא מספיק.
הדבר הראשון שברור שצריך הוא שהחיישן יהיה רגיש מספיק למה שרוצים למדוד. הדבר השני הוא שהחיישן צריך להיות קטן מספיק. למה קטן? ובכן, נסו לדמיין מצלמה שבה כל פיקסל הוא בגודל של עשרה סנטימטרים. תמונת פספורט ממצלמה כזו תהיה בלתי אפשרית לזיהוי [1]. אפשר לומר שגודל החיישן קובע את הרזולוציה של התמונה שנקבל, אבל זה לא מספיק.
נסו לצלם תמונה של נמלה ממרחק של שני מטרים. גם אם המצלמה שלכם מאוד טובה, ברור שתקבלו תוצאה טובה יותר אם תצליחו להתקרב אל הנמלה יותר. אז רוצים חיישן רגיש, קטן, וגם שיכול להתקרב מאוד אל הדוגמה.
במעבדה שאני עושה בה את הדוקטורט שלי, המעבדה של פרופסור אלי זלדוב במכון וייצמן למדע [2], פיתחנו חיישן מגנטי זעיר ביותר הנמצא על קצה מחט בגודל קטן ממיקרון (מיליונית המטר). החיישן המגנטי מבוסס על התקן מיוחד של מוליכי-על שראשי התיבות שלו הם SQUID – ראשי תיבות של התקן-מוליך-על-מבוסס-התאבכו
במהלך הדוקטורט, השתמשתי במיקרוסקופ שלי כדי לחקור את המגנטיות בחומרים מיוחדים הנקראים "מבודדים טופולוגיים" (שכבר כתבנו עליהם בעבר, מכיוון שהשנה הוענק פרס נובל בנושא [4]). לצורך יישומים עתידיים שונים מוסיפים אטומים מגנטיים כמו כרום או מנגן לחומרים האלה, והציפייה הייתה שבדומה לחומרים אחרים שאליהם הוספו אטומים מגנטיים החומר יהפוך לפרו-מגנטי (ferromagnetic מלשון ferro, ברזל) – כמו ברזל, או קובלט [לפוסט קודם של אלה על פרו מגנטיות 5]. למעשה, כשהתחלתי את המחקר שלי חשבתי שאחקור את הקשר בין הזרמים החשמליים בחומר (שגם אותם אפשר לראות עם מיקרוסקופ מגנטי) לאזורים הפרו-מגנטיים בחומר.
מסתבר, שמבודדים טופולוגיים עם אטומים מגנטיים אינם פרו-מגנטיים משום שלא נוצר סדר מגנטי ארוך טווח בחומר. במקום זה, מה שיש זה "איים" מגנטיים קטנים שלא עושים אינטראקציה אחד עם השני. האיים הם כל כך קטנים – בגודל של עשיריות מיקרון – ומכיוון שכך מדידות אחרות שנעשו על החומרים האלה לא ראו אותם. מי שאין לו את הרזולוציה המרחבית המספיקה, יראה מעין ממוצע של פני השטח ויחשוב שאכן החומר הוא פרו-מגנטי. הימצאותם של האיים המיקרוסקופיים יכולה להסביר תופעות אחרות שרואים בחומרים האלה. אני עדיין בודקת...
מי שמעוניין לקרוא את המאמר שלי בנושא, הוא פורסם בעיתון עם גישה חופשית [6], ואפשר גם לראות הרצאה שהמנחה שלי מעביר בנושא בכנס [7 הוידאו בתחתית העמוד].
במעבדה שאני עושה בה את הדוקטורט שלי, המעבדה של פרופסור אלי זלדוב במכון וייצמן למדע [2], פיתחנו חיישן מגנטי זעיר ביותר הנמצא על קצה מחט בגודל קטן ממיקרון (מיליונית המטר). החיישן המגנטי מבוסס על התקן מיוחד של מוליכי-על שראשי התיבות שלו הם SQUID – ראשי תיבות של התקן-מוליך-על-מבוסס-התאבכו
במהלך הדוקטורט, השתמשתי במיקרוסקופ שלי כדי לחקור את המגנטיות בחומרים מיוחדים הנקראים "מבודדים טופולוגיים" (שכבר כתבנו עליהם בעבר, מכיוון שהשנה הוענק פרס נובל בנושא [4]). לצורך יישומים עתידיים שונים מוסיפים אטומים מגנטיים כמו כרום או מנגן לחומרים האלה, והציפייה הייתה שבדומה לחומרים אחרים שאליהם הוספו אטומים מגנטיים החומר יהפוך לפרו-מגנטי (ferromagnetic מלשון ferro, ברזל) – כמו ברזל, או קובלט [לפוסט קודם של אלה על פרו מגנטיות 5]. למעשה, כשהתחלתי את המחקר שלי חשבתי שאחקור את הקשר בין הזרמים החשמליים בחומר (שגם אותם אפשר לראות עם מיקרוסקופ מגנטי) לאזורים הפרו-מגנטיים בחומר.
מסתבר, שמבודדים טופולוגיים עם אטומים מגנטיים אינם פרו-מגנטיים משום שלא נוצר סדר מגנטי ארוך טווח בחומר. במקום זה, מה שיש זה "איים" מגנטיים קטנים שלא עושים אינטראקציה אחד עם השני. האיים הם כל כך קטנים – בגודל של עשיריות מיקרון – ומכיוון שכך מדידות אחרות שנעשו על החומרים האלה לא ראו אותם. מי שאין לו את הרזולוציה המרחבית המספיקה, יראה מעין ממוצע של פני השטח ויחשוב שאכן החומר הוא פרו-מגנטי. הימצאותם של האיים המיקרוסקופיים יכולה להסביר תופעות אחרות שרואים בחומרים האלה. אני עדיין בודקת...
מי שמעוניין לקרוא את המאמר שלי בנושא, הוא פורסם בעיתון עם גישה חופשית [6], ואפשר גם לראות הרצאה שהמנחה שלי מעביר בנושא בכנס [7 הוידאו בתחתית העמוד].
אלה נמצאת בעיצומו של פוסט-דוקטורט במעבדה לחומרים קוונטיים אשר במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. במהלך הדוקטורט במכון וייצמן חקרה תכונות של חומרים מגנטיים בטמפרטורות נמוכות באמצעות מיקרוסקופ מגנטי שתוכנן ונבנה על ידה.
