לצלם “סרט קולנוע” של אלקטרונים

יבמ ביצעה מדידה ראשונה בהיסטוריה של התנהגות מגנטית ברמת חלקיקי האטום הבודד

בסוף השבוע חשפה יבמ פריצת דרך בתחום הננו-טכנולוגיה, בדמות “טכניקת משאבת ניתוח נתונים”, המאפשרת למיקרוסקופ מנהור סורק (ממ”ס) (Scanning Tunneling Microscope) לסייע למדענים “לראות” חלקיקים תת-אטומיים הסובבים סביב גרעין האטום, ולהבין את ההתנהגות המגנטית שלהם ברמת האטום הבודד.

הטכנולוגיה החדשה, שפותחה במעבדות יבמ באלמדן, ארה”ב, עשויה להשפיע על המחקר והפיתוח בתחום זיכרון המחשב, תאים סולאריים ומחשוב קוונטי. מגזין המדע והטכנולוגיות Science מקדיש לפיתוח של יבמ את כתבת השער בגליונו החדש.

הטכנולוגיה של יבמ מאפשרת למיקרוסקופ לעקוב אחר השינויים בשדה המגנטי של אטומים בודדים, כל אחד בפני עצמו, באופן דומה לזה שבו מסוגלת מצלמת וידיאו מהירה במיוחד להציג תנועת כנפיים של יונק דבש המרחף מול נקודה בודדת. השיטה החדשה מודדת תהליכים באטומים מגנטיים במהירות גבוהה פי 100,000 מזו שהייתה אפשרית עד עתה.

ההשקעה המתמשכת של יבמ במדע בסיסי, איפשרה למדעניה למדוד לראשונה את משך הזמן שבו ניתן לשמור מידע על גבי אטום בודד. עתה, מתחילים החוקרים בתהליך לימוד והדמיה של תופעות מגנטיות ברמת האטום – העשוי להוליד עידן חדש של מחשוב קוונטי, שבו מתבצעות פעולות אחסון ועיבוד באמצעות הסטת חלקיקים תת-אטומיים למסלול קרוב יותר או רחוק יותר מגרעין האטום, כמו גם טכנולוגיית אחסון ברמת הננו.

ממש כמו שסרטי הקולנוע ממירים תמונה ורושמים אותה באמצעות צילום במהירות גבוהה, משתמשים החוקרים במעבדות יבמ באלמדן, ניו יורק, במיקרוסקופ סריקת המינהרה על מנת לרשום את התנהגות האטומים הבודדים. מיקרוסקופ המינהרה, שפותח ביבמ לפני יותר מעשרים שנה וזיכה שורת עובדים של החברה בפרסי נובל בפיזיקה, מאפשר להבין לעומק את מהות החומרים והתהליכים הפיזיקליים והכימיים.

האפשרות למדוד תופעות ברמת הננו-שניות פותחת בפני החוקרים עולם חדש, שבו ניתן להוסיף את מימד הזמן גם לניסויים הבוחנים שינויים מהירים במיוחד. על מנת לקבל את הפרספקטיבה ההולמת, יש להבין כי היחס בין ננו-שניה אחת ובין שניה שלמה שקול ליחס בין שניה אחת ובין 30 שנה. בתוך ננו-שניה אחת בודדת, מתרחשות כמויות עצומות של תהליכים פיזקליים – אותם לא ניתן היה לחקור עד עתה.

אנרגיה סולארית, מחשוב קוונטי ואחסון נתונים

מדענים צופים כי הפיתוח החדש של יבמ יאפשר בניית תאים פוטו-וולטאיים (תאים סולאריים) יעילים מאלה המוכרים לנו כיום, בזכות הרחבת ההבנה לגבי אופן ההמרה של אנרגיית השמש לחשמל. במקביל, מהווה הפיתוח צעד חשוב בדרך לבניית מחשבים קוונטיים. מחשוב קוונטי שונה לחלוטין מהמחשבים המוכרים לנו כיום: הוא אינו מוגבל לאופי הבינארי של מחשבים בני ימינו, ומסוגל לבצע פעולות חישוב שאינן אפשריות במגבלות הטכנולוגיה העכשווית. בתחום אחסון הנתונים, אפשר יהיה להבין כמה מידע ניתן לאחסן על גבי אטום בודד תוך הבטחת אמינות האחסון הזה.

כיוון שהשינויים בסחרור המגנטי בתוך האטום מהירים מכדי שאפשר יהיה למדוד אותם ישירות בעזרת טכנולוגיות קודמות בתחום מחשוב סריקת המנהרה, פיתחו חוקרי יבמ שיטה לרישום התנהלות החלקיקים המגנטיים באופן דומה לזה של יצירת סרט קולנוע.

“משאבת ניתוח הנתונים” של יבמ עושה שימוש בפעימה חשמלית מהירה (פולס) המשוגרת אל האטום ומתניעה שינוי באופיו המגנטי, בעוד פעימה חשמלית בעוצמה נמוכה יותר מודדת את האוריינטציה המגנטית של האטום בנקודת זמן ידועה לאחר ההתנעה. הפרש הזמנים בין התנעת השינוי ובין המדידה, מגדיר את מסגרת המדידה. פעימות המדידה מנותחות זו אחר זו, בהפרשי זמן זעירים, על מנת להציג את התנועה המגנטית.

בניסוי עליו מדווחים חוקרי יבמ במאמר המתפרסם ב- Science, הוצבו אטומים של ברזל על גבי שכבת מבודד, בשכבת ברזל שכל עובייה אטום אחד בלבד, הנתמכת על ידי גביש נחושת. המבנה הזה מאפשר לחקור ולבדוק את תכונות האטומים, תוך שמירה על תכונותיהם המגנטיות. אטומים של ברזל הוצבו בדיוק אטומי לצד אטומים בלתי מגנטיים של נחושת, באופן המאפשר לשלוט באינטראקציה בין אטום הברזל ובין האטומים הקרובים אליו.

המבנה שהתקבל נמדד תחת שדות מגנטיים שונים, באופן שאיפשר לגלות כי מהירות השינוי באוריינטציה המגנטית של אטומי הברזל תלויה בשדה המגנטי: אטומים נוטים “לנוח” ולחזור למערך המגנטי המקורי שלהם גם מבלי שיעברו תהליך מיגנוט הפוך. הבנת התהליכים האלה עשויה לאפשר למדענים ולמהנדסים לתכנן מראש את מחזור החיים של האטום הבודד במעברים בין מצבי מיגנוט שונים, להאריך את משך השהיה במצב נתון על מנת לאפשר אחסון מידע, או לקצר אותו ולעבור למצב מגנטי אחר.

סרטון המראה את מפתחי הטכנולוגיה מסבירים מעט על מה שעשו ומתבלבלים בין 3 לבין 30:

http://www.youtube.com/watch?v=qjCOCbi6X5s

למידע נוסף אודות IBM and Nanotechnology