ابتكر علماء المعهد جهازًا لقياس المجالات المغناطيسية، يحطم الأرقام القياسية من حيث الحساسية والدقة
اتخذ علماء معهد وايزمان للعلوم خطوة مهمة نحو فهم ظاهرة الموصلية الفائقة الرائعة: تمكنوا من خلق أصغر جهاز SQUID (جهاز يستخدم لقياس المجالات المغناطيسية) على الإطلاق، والذي يحطم الأرقام القياسية من حيث الحساسية والدقة. حساسية الجهاز، المعروف باسم "nano-SQUID on a Needle"، عالية جدًا لدرجة أنه قادر على تمييز المجال المغناطيسي لإلكترون واحد - "الكأس المقدسة" لمجال التصوير المغناطيسي.
الموصلية الفائقة هي ظاهرة كمومية تحدث عند درجات حرارة شديدة للغاية. عندما يتم تبريد بعض المواد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، يحدث "السحر": فهي تفقد كل مقاومتها لمرور التيار الكهربائي من خلالها، ويتم صد المجالات المغناطيسية عنها. تسمح هذه الخصائص الاستثنائية، من بين أمور أخرى، ببناء قطارات تطفو فوق مساراتها (بدون احتكاك تقريبًا)، وتسريع الجسيمات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، ومسح جسم الإنسان بأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي بحثًا عن أغراض التشخيص والعلاج الطبي. الموصلات الفائقة هي أيضًا الأساس لإنشاء أجهزة SQUID (اختصار لـ Superconducting QQuantum Interference Device)، والتي تمكن من دراسة ظاهرة الموصلية الفائقة. على الرغم من اكتشافها منذ أكثر من قرن من الزمان، إلا أن العلماء ما زالوا لا يفهمون بشكل كامل الفيزياء الأساسية للموصلات الفائقة.
على عكس المجهر الضوئي، الذي يعتمد على الأشعة الضوئية والعدسات بغرض تكبير العينات الصغيرة، يستخدم المجهر الماسح مسبارًا من نوع ما يتم تحريكه فوق عينة لقياس خاصية معينة في نقاط مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك إنشاء خريطة حرارية للنخلة عن طريق تحريك مقياس الحرارة وقياس درجة الحرارة في عدة نقاط على سطحها. في هذه الحالة، يكون المسبار عبارة عن حبار نانوي يقيس قوة المجال المغناطيسي في نقاط مختلفة على العينة.
إلى جانب تحدي الحساسية المطلوبة من أجهزة SQUID، لإنتاج صور عالية الجودة، يجب أيضًا التغلب على العديد من التحديات الهندسية. لاستخدام أجهزة SQUID كمسبار للمسح الضوئي، يجب التغلب على اثنين من القيود التقنية: يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان للحصول على تصوير عالي الدقة، ويجب أن تكون قريبة من العينة قدر الإمكان.
باحثا ما بعد الدكتوراه الدكتور يوناتان أنهوري والدكتور دينيس فاسيوكوف، وطالب البحث ليئور أمبون، وزملاء آخرون من مجموعة البروفيسور إيلي زالدوففي قسم فيزياء المواد المكثفة، تمكنوا من مواجهة التحدي - كما ورد مؤخرًا في المجلة العلمية طبيعة التكنولوجيا النانوية. أنشأ العلماء نظامًا فريدًا: استخدموا أنبوبًا زجاجيًا، وأذابوه وسحبوه حتى تم الحصول على طرف رفيع - وهو الشكل الهندسي المثالي للمسح المجهري. بعد ذلك، تمكنوا من إنتاج جهاز SQUID على الحلقة الموجودة في نهاية الطرف، والذي كان قطره 46 نانومتر فقط - وهو رقم يجعله أصغر SQUID تم إنتاجه حتى الآن. تم لصق الأنبوب الزجاجي مع الجهاز في نهايته على كوارتز ("شوكة")، وتم بناء مجهر مسح يسمح بالحصول على تصوير مغناطيسي من مسافة بضعة نانومترات من العينة.
تم تصنيع أجهزة SQUID حتى الآن باستخدام عمليات الطباعة الحجرية على رقائق السيليكون المسطحة. وتحد هذه الطريقة من تصغير الأجهزة، والقدرة على جمعها معًا على سبيل المثال. يقول ليئور أمبون: "في الواقع، كانت لدينا مشكلة معاكسة، وهي كيفية منع المسبار من الاقتراب أكثر من اللازم من العينة، و"التحطم"." "توجد بالفعل ماسحات SQUID ذات حساسية أعلى للمجالات المغناطيسية المنتظمة، لكن الجمع بين الحساسية العالية والقدرة على تقريب المسبار من العينة وأبعادها الصغيرة، هو ما يسمح لنا بتحطيم الأرقام القياسية في الدقة، الدقة والحساسية."
لقد أثبت الجهاز الفريد بالفعل أنه أداة بحث قوية: فهو يستخدم لفحص ديناميكيات الدوامات المغناطيسية في الموصلات الفائقة، والمغناطيسية الكمومية على مقياس النانومتر - مجال البحث الرئيسي للبروفيسور زيلدوف. ويأمل العلماء أن يسمح هذا ليس فقط بفهم أفضل للموصلية الفائقة، وهو أمر ضروري لتطبيق أكثر فعالية لهذه الظاهرة، بل سيؤدي أيضًا إلى رؤى جديدة فيما يتعلق بظواهر فيزيائية فريدة أخرى. وبشكل غير متوقع، تبين أن SQUID عبارة عن جهاز متعدد الاستخدامات، قادر على دراسة أنظمة ومواد أخرى غير الموصلات الفائقة. يقول ليئور أمبون: "لقد كان هناك بالفعل طابور من العلماء من معهد وايزمان للعلوم ومؤسسات في الخارج، المهتمين بالتعاون الأكاديمي لقياس الخواص المغناطيسية للعينات المختلفة على المستوى النانومتري".
