دقة الميكروسكوب الإلكتروني تدخل نطاق البيكومتر
25 يوليو 2008
http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080724150342.htm
نجح فريق من العلماء في قياس المسافات بين الذرات بدقة وصلت إلي بضعة بيكومترات (البيكومتر يساوي واحد علي ألف من النانو متر )( أيضا, البيكومتر واحد علي ألف بليون من المتر) بإستخدام طرق مبتكرة في تكنولوجيا الميكروسكوب الإلكتروني. هذا الإنجاز يجعل من الممكن أن نعين قيمة بعض المتغيرات الفيزيائية علي المستوي الذري مباشرة من التجربة (بالنظر عبر ميكروسكوب).
ظهر هذا البحث في مجلة العلم Science Magazine.
إن التقدم البحثي في مجال الفيزياء غالبا ما يعتمد علي زيادة دقة القياسات, وهو ما يساعد العلماء في إستقصاء الظواهر الطبيعية. عن طريق الإستعانة بطرائق جديدة في مجال بصريات الإلكترون (العلم الذي يوظف الطبيعة الموجية للإلكترون لصنع أشعة إلكترونية تكون بديلا عن الضوء العادي في الميكروسكوب الضوئي) أمكن للباحثين أن يقيسوا المسافات بين الذرات بدقة تصل لبضعة بيكومترات (قطر الذرة نفسها يعادل الأنجستروم وهو ما يساوي مئة بيكومترا).
أحد أشهر الموصلات الفائقة هو مركب اليابكو YBa2Cu3O7 وهو مركب مكون من عناصر اليتريوم ,الباريوم والنحاس والأكسجين. الموصلات الفائقة هي مواد توصل الكهرباء بلا أي مقاومة كهربية علي الإطلاق حتي درجات حرارة معينة (تسمي درجة الحرارة الحرجة). كلما أرتفعت درجة الحرارة الحرجة للمادة كلما إتسع نطاق إستخدام المادة في تطبيقات حياتية متنوعة (فكر مثلا في ما إذا تم إكتشاف مركب درجة حرارته الحرجة أعلي من درجة حرارة الغرفه!). مركب اليابكو له درجة حرارة مرتفعة( بالمقارنة بالمركبات الأخري) وهذا ما يجعله هدفا للدراسة المكثفة.
أخضع العلماء في بحث مجلة العلم مركب اليابكو للدراسة تحت الميكروسكوب الإلكتروني. المركب تتشكل به حبيبات كل منها لها نفس التركيب البلوري لكن إتجاه التركيب البلوري قد يتغير من حبيبة لأخري. الأمر مشابه بمصلين داخل وخارج مسجد, الكل يقف في صفوف لكن قد يختلف إتجاة الصفوف قليلا داخل وخارج المسجد. الحد الفاصل بين الإتجاهين (حائط المسجد مثلا) نسميه حدود الحبيبة. بالنسبة للبلورات فالإختلاف في الإتجاه علي جانبي حدود الحبيبة قد يكون شاسعا. درس العلماء ترتيب وجود الذرات علي الحدود بين حبيبتين إتجاهي التركيب البلوري بهما متعامدين (زاوية 90 درجة بينهما). بتوظيف الصور الميكروسكوبية التي ألتقطت وأيضا بالحاسوب , حسب الباحثون الدوال الموجية الكمية للإلكترونات وبناء عليه تم حساب المواضع الدقيقة للذرات.
ظهر من نتائج البيانات أن الذرات الثقيلة نوعا ما (مثل الباريوم والنحاس واليتريوم ) تتحرك بإنتظام مسافة بضعة بيكومترات من مواضعها الأصلية علي حدود الحبيبة وأن الذرات الأخف تتبع حركة الذرات الأثقل. وهذا ما يفسر التوهين الذي نلاحظه عندما يعبر تيارا كهربيا حدود حبيبة ما. هذه الظاهرة ينبغي التخلص منها لو أننا إنتوينا إستخدام الموصل الفائق لنقل تيار كهربي بلا فقد. لكنها قد تكون مفيدة في صنع ما يسمي سكويد SQUID (أجهزة تداخل كمي فائق التوصيل). والتي تستغل تأثر التوهين في التيار الفائق بأي مجال مغناطيسي خارجي مهما صغر قدره, ومن ثم يمكن قياس مقدار المجال المغناطيسي. تلك الظاهرة تستخدم لقياس الموجات الصادرة عن المخ البشري magnetoencephalography.
أيضا تلك الإزاحات البالغة الضآلة (بضعة بيكومترات) تحدد عددا معتبرا من الصفات الفيزيائية وهذا غاية في الأهمية للتطبيقات التكنولوجية. أحد الأمثلة هو الفيررو كهربية لمركبات التيتانيات. هنا, الشحنات الكهربية بالذرات المكونة للبلورات لا تعادل بعضها تماما كهربيا لأن مواضعها لها تماثل غير تام.
لهذا السبب, تتكون ثنائيات قطب كهربية بداخل أي خلية من خلايا البلورة لتشكل معا ما يعرف بـ الإستقطابية polarization. يتم إستغلال الإستقطابية لتسجيل بتات بياناتinformation bits عليها كذاكرة حاسوب. أحد الأمثلة مركب(PbZr0.2Ti0.8O3) المستخدم في صنع بطاقات شرائحية لتخزين البيانات. بإستخدام أساليب بصريات الإلكترون الحديثة, أمكن رصد مواضع كل الذرات واحدة تلو الأخري وأمكن قياس الآستقطابية علي مستوي الذرة الواحدة لأول مرة.
بيانات البحث المنشور:
Knut Urban. Studying Atomic Structures by Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy. Science, 25 July 2008
http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080724150342.htm
