التقيت بدانييل روزنبلات لأسأله عما يجري هناك في الجامعة.
حصل دانيال على درجة الماجستير في الفيزياء من جامعة تل أبيب، وهو حاليًا في منتصف أطروحة الدكتوراه في معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة في شتوتغارت بألمانيا. يعمل في مختبر البروفيسور كلاوس كيرن، واهتمامه الرئيسي هو المجهر النفقي الإلكتروني. في أوقات فراغه، يمارس دانيال رياضة التسلق على الجدران والألواح الدوارة.
دانيال، إذن ماذا تفعل هناك؟
يتعامل المختبر مع مجموعة واسعة من المواضيع البحثية في مجال تكنولوجيا النانو والفيزياء والكيمياء وعلوم المواد. تكمن الخبرة الكبيرة للمختبر في المجهر النفقي الإلكتروني (المجهر النفقي الماسح، STM) وتطوراته المختلفة.
ما هو المجهر النفقي الإلكتروني؟
عندما نفكر في المجهر، نفكر عادة في الفوتونات (الضوء) أو الإلكترونات التي تضرب العينة، وتنتشر ثم يتم جمعها لتكوين صورة تصويرية. مبدأ المجهر النفقي مختلف تمامًا. بدلًا من إطلاق الجسيمات من مسافة بعيدة، يتم استخدام إبرة معدنية رفيعة جدًا لمسح سطح النموذج، تمامًا مثل شخص أعمى يقرأ بطريقة برايل (انظر الصورة 1). يبلغ عرض رأس الإبرة عدة عشرات من النانومترات، مما يعني أنها أصغر بألف مرة من قطر الشعرة. أثناء المسح، تكون الإبرة قريبة جدًا من مقدمة النموذج، وتتبع مسار التضاريس.
تم تطوير STM لأول مرة في أوائل الثمانينيات في مختبرات IBM في زيوريخ. أدى هذا التطور إلى حصول المخترعين بينيج وروهرير على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986.
كيف يعمل STM؟
أولاً، قم بإغلاق دائرة كهربائية بين الإبرة والنموذج (انظر الصورة 1)، وقم بتوصيل الإبرة بجهاز يتحكم في بعدها عن النموذج بدرجة عالية جدًا من الدقة. الإبرة لا تلمس النموذج وبالتالي لا يمكن للإلكترونات أن تمر بينهما في التوصيل الكهربائي الطبيعي على الرغم من تطبيق الجهد الكهربائي. ومع ذلك، فإن الإبرة قريبة جدًا بحيث يمكن للإلكترونات المرور عبر عملية تسمى النفق.
ما هو النفق؟
في عالم الفيزياء الكلاسيكية، الجسم الذي يواجه عائقًا، مثل كرة تتدحرج نحو تلة شديدة الانحدار، لن يتجاوزه إلا إذا كان لديه طاقة كافية، وفي حالة الكرة، السرعة. في العالم الكمي، وبسبب الخصائص الموجية، فإن الإلكترون لديه فرصة ضئيلة للتغلب على عائق والظهور على الجانب الآخر حتى لو لم يكن لديه كمية الطاقة اللازمة لذلك (انظر الصورة 2). كلما كانت العقبة أرق، كلما زاد الاحتمال. إن احتمالية مرور إلكترون واحد من النموذج إلى الإبرة صغير جدًا، لكن عدد الإلكترونات كبير جدًا، لذا نظرًا لأن الإبرة قريبة بدرجة كافية من السطح، فسوف تمر إلكترونات كافية حتى نتمكن من قياس تيار النفق. تيار النفق ضعيف جداً لذلك من الضروري تضخيم الإشارة مليار مرة حتى نتمكن من تغذيتها للكمبيوتر والعمل بها.
عنصر آخر مهم في نظام STM هو حلقة التغذية المرتدة التي تتمثل وظيفتها في الحفاظ على الإبرة على ارتفاع ثابت فوق سطح النموذج.
كيف تعرف دائرة التحكم المسافة بين الإبرة والسطح؟
تعتمد قوة تيار النفق بشكل كبير على المسافة بين الإبرة والسطح، وبالتالي فإن التيار هو مقياس حساس للمسافة. تتحكم حلقة التغذية الراجعة في ارتفاع الإبرة. إشارة الدخل الخاصة به هي تيار النفق، ووظيفته هي الحفاظ على التيار عند مستوى ثابت.
إذن ما هي إشارة الإخراج للجهاز؟ ما الذي يتم قياسه فعليًا؟
يتم التحكم في ارتفاع الإبرة بواسطة بلورة كهرضغطية (انظر الصورة 1). تنتج هذه البلورات جهدًا كهربائيًا استجابة للضغط الميكانيكي، وعلى العكس من ذلك، تغير طولها استجابة لتطبيق الجهد الكهربائي. إذا كانت الإبرة متصلة بمثل هذه البلورة (المحرك الكهرضغطي)، فيمكن التحكم في ارتفاعها بدقة كبيرة عن طريق التنشيط المتحكم فيه للجهد الكهربائي. الجهد الذي يتم تطبيقه على البلورة الكهرضغطية للحفاظ على تيار ثابت هو إشارة الخرج، أي الإشارة التي يتم استنتاج ارتفاع السطح منها.
ماذا يرى STM في الواقع؟
ويعتمد تيار النفق على الجهد الكهربائي وبعد الإبرة عن السطح والحجم الذي يسمى "كثافة الحالات" والذي يرتبط بكثافة الإلكترونات في مكان معين وطاقة معينة. وبما أننا نحافظ على ثبات الجهد، يقوم الجهاز بتعيين "كثافة الحالات" عند كل نقطة. فإذا انتقلت مثلاً أثناء القياس من المسح في منطقة من معدن إلى منطقة من معدن آخر فإن قوة الإشارة ستتغير وفي الصورة ستظهر المنطقة على ارتفاع مختلف لأن الكثافة الدول مختلفة.
أكبر ميزة لـ STM هي الدقة المكانية التي تبلغ حجم ذرة واحدة (انظر الصورة 3). وبما أن تيار النفق يضمحل بشكل كبير مع المسافة، فإن الجزء الأكبر من المساهمة يأتي من نقل الإلكترونات بين الذرة عند طرف الإبرة والذرة الموجودة تحتها. يتيح هذا الحل دراسة، على سبيل المثال، خصائص جزيء واحد على سطح معدني.
وبقدر ما أعرف، يمكن شراء أجهزة STM التجارية. لماذا تقومون ببنائهم؟
نحن نبني أجهزة ذات ميزات خاصة أو مجموعات من الميزات الموجودة التي لا يتم تقديمها في السوق. وخير مثال على ذلك هو المشروع الذي أعمل عليه. أقوم ببناء جهاز STM يمكنه أيضًا دراسة الجزيئات المغناطيسية. تسمى هذه التقنية STM المستقطبة الدورانية ويتم مسحها ضوئيًا بطرف يحتوي على مادة مغناطيسية في النهاية.
ما هو غرض المشروع بعد بناء الجهاز؟
الطموح في صناعة مكونات الذاكرة هو تقليل الحجم المادي قليلاً قدر الإمكان. تتكون البتة المغناطيسية من مادة مغناطيسية مقسمة إلى مجمعات معزولة مغناطيسيا. إن المرشح الجيد لإنشاء جزء واحد من الحجم الذري هو الجزيء الذي يحتوي على نواة مغناطيسية وقشرة عضوية تعزله عن جيرانه. وهذه التكنولوجيا لا تزال في بداياتها وتواجه العديد من المشاكل التي لم يتم إيجاد حل لها بعد. ولكن بما أن تنوع الجزيئات العضوية التي يمكن إنتاجها لا نهاية له، فإننا نأمل أن يجد مزيجًا من الجزيئات والسطح والاتصالات الكهربائية التي تعمل معًا بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة.
يعد STM أداة مثالية لدراسة خصائص الجزيئات الموجودة على الأسطح. فمن ناحية يمكن دراسة تأثير السطح على شكل الجزيء الواحد وترتيب الإلكترونات فيه. ومن ناحية أخرى، من الممكن التحقق من كيفية ترتيب الجزيئات نفسها على السطح عندما تكون ذات كثافة عالية. كما ذكرنا سابقًا، يمكن فحص ثبات الخواص المغناطيسية بمساعدة STM المستقطب الدوران.
يركز بحثنا على الجزيئات المسطحة، والتي يمكن التعرف عليها بسهولة في صورة طبوغرافية، مع ذرة معدنية في المركز وإضافات مختلفة خارج الحلقة العضوية. نحن مهتمون بمعرفة أنواع المواد المضافة التي تحافظ على الخواص المغناطيسية للذرة المركزية حتى في درجات الحرارة المرتفعة، وكيف يمكن التحكم بمساعدتها في الترتيب التلقائي للجزيئات المنتشرة على سطح معدني.
وفي الختام ما الذي جذبك لهذا المشروع؟
أحد الأشياء الرئيسية التي جذبتني هو التحدي المتمثل في تصميم وبناء الجهاز من الصفر. المشروع متعدد التخصصات ويجمع بين العمل على اختيار المواد لدرجات الحرارة المنخفضة والفراغ العالي، وتصميم نظام المضخة، ووسائل التبريد وامتصاص الصدمات، والأسلاك عالية التردد، وتحليل البيانات المحوسبة. وهذا ما يجعل التحدي ممتعًا جدًا بالنسبة لي!
----------------------
يسعدني أن ألتقي وأتحدث مع أي طالب بحث (ربما أنت؟) يرغب في المشاركة ويخبرني قليلاً عما يفعله (وكل ذلك مقابل محادثة ليست طويلة جدًا). يمكنك التواصل معي عبر نموذج الاتصال بنا.
حان الوقت لتخبر الجميع بما تفعله، ربما سيفهمون هذه المرة أيضًا 🙂
تعليقات 2
ممتاز!!! ويجب الاستمرار في تبسيط الأمور للجميع.
مقابلة ممتعة وأسئلة ممتازة، أحسنت!