רגיש, לא ספונטני

מדעני המכון יצרו התקן למדידת שדות מגנטיים, אשר שובר את שיאי הרגישות והדיוק

מדעני מכון ויצמן למדע עשו צעד חשוב לקראת הבנת התופעה המרתקת של מוליכות-על: הם הצליחו ליצור את התקן ה-SQUID (התקן המשמש למדידת שדות מגנטיים) הקטן ביותר אי פעם, אשר שובר את שיאי הרגישות והרזולוציה. רגישות ההתקן, המכונה "ננו-SQUID על מחט" היא כה גבוהה, עד שהוא מסוגל להבחין בשדה המגנטי של אלקטרון בודד – ה"גביע הקדוש" של תחום הדימות המגנטי.

מוליכות-על היא תופעה קוונטית המתרחשת בטמפרטורות קיצוניות ביותר. כאשר חומרים מסוימים מקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד, מתרחש ה"קסם": הם מאבדים את כל ההתנגדות למעבר זרם חשמלי דרכם, ודוחים מתוכם שדות מגנטיים. תכונות יוצאות הדופן אלה מאפשרות, בין היתר, בנייתן של רכבות המרחפות מעל לפסיהן (כמעט ללא חיכוך), האצת חלקיקים למהירות הקרובה למהירות האור, וסריקת גוף האדם במכשירי MRI לצורכי איבחון וטיפול רפואי. מוליכי-על מהווים גם את הבסיס ליצירת התקני SQUID (ראשי תיבות של Superconducting QUantum Interference Device), המאפשרים לחקור את התופעה של מוליכות העל. למרות שהתגלו לפני למעלה ממאה שנה, מדענים עדיין אינם מבינים במלואה את הפיסיקה העומדת בבסיסם של מוליכי-על.

בניגוד למיקרוסקופייה אופטית, המתבססת על קרני אור ועדשות לצורך הגדלה של דוגמאות קטנות, במיקרוסקופיה סורקת משתמשים בגשוש (probe) כלשהו אותו מזיזים על-פני דוגמה, כדי למדוד תכונה מסוימת בנקודות שונות. דוגמה לכך היא יצירת מפה תרמית של כף היד באמצעות הזזת מד-חום ומדידת הטמפרטורה במספר נקודות על פניה. במקרה זה הגשוש הוא ננו-SQUID המודד את עוצמת השדה המגנטי בנקודות שונות על-פני דוגמה.

מלבד אתגר הרגישות הנדרשת ממכשירי ה-SQUID, כדי להפיק דימות באיכות גבוהה יש להתגבר גם על מספר אתגרים גיאומטריים. כדי להשתמש במכשירי SQUID כגשושים לצורך סריקה, יש להתגבר על שתי מגבלות טכניות: עליהם להיות קטנים ככל האפשר לצורך קבלת רזולוציה גבוהה של הדמייה, ועליהם להתקרב לדוגמה ככל האפשר.

החוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר יונתן אנהורי וד"ר דניס וסיוקוב, תלמיד המחקר ליאור אמבון, ועמיתים נוספים מקבוצתו של פרופ' אלי זלדוב, במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, הצליחו להתמודד עם האתגר – כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology. המדענים יצרו מערכת ייחודית: הם השתמשו בצינור זכוכית, התיכו ומשכו אותו עד לקבלת חוד דק – הצורה הגאומטרית האידאלית עבור מיקרוסקופיה סורקת. לאחר מכן הצליחו לייצר התקן SQUID על הטבעת שבקצה החוד, שקוטרה 46 ננומטר בלבד – נתון שהופך אותו ל-SQUID הזעיר ביותר שיוצר עד כה. את צינור הזכוכית עם ההתקן בקצהו הדביקו לקולן ("מזלג") קוורץ, ובנו מיקרוסקופ סורק המאפשר לקבל הדמיות מגנטיות ממרחק של ננומטרים ספורים מהדוגמה.

התקני SQUID יוצרו עד כה באמצעות תהליכי ליטוגרפיה על גבי שבבי סיליקון שטוחים. שיטה זו מגבילה את מיזעורם של ההתקנים, ואת היכולת לקרבם לדוגמה. "אצלנו נוצרה, למעשה, בעיה הפוכה – איך למנוע מהגשוש להתקרב אל הדוגמה יתר על המידה, ו'להתרסק' ", אומר ליאור אמבון. "קיימים אמנם סורקי SQUID בעלי רגישות גבוהה יותר לשדות מגנטיים אחידים, אולם השילוב של הרגישות הגבוהה, היכולת לקרב את הגשוש לדוגמה, וממדיו הזעירים, הוא זה שמאפשר לנו לשבור את שיאי הרזולוציה, הדיוק והרגישות".

המכשיר הייחודי מתגלה כבר כעת ככלי מחקרי רב עוצמה: הוא משמש לבחינת הדינמיקה של מערבולות מגנטיות במוליכי-על, ושל מגנטיזם קוונטי בסדר גודל ננו-מטרי – תחום המחקר העיקרי של פרופ' זלדוב. המדענים מקווים כי הוא יאפשר לא רק הבנה טובה יותר של מוליכות-על, הדרושה לשם יישום יעיל יותר של התופעה, אלא גם יוביל לתובנות חדשות בנוגע לתופעות פיסיקליות ייחודיות אחרות. באופן בלתי צפוי, ה-SQUID התגלה כמכשיר בעל יכולות מגוונות, המסוגל לחקור מערכות וחומרים אחרים, מלבד מוליכי-על. ליאור אמבון אומר: "כבר עתה נוצר תור של מדענים ממכון ויצמן למדע וממוסדות בחו"ל, המעוניינים בשיתוף פעולה אקדמי למדידת התכונות המגנטיות של דוגמאות שונות ברמה הננו-מטרית".

למידע נוסף אפשר לפנות למשרד דובר מכון ויצמן למדע - 08-9343856