Atomları Tek Tek Gören Kuantum Mikroskop

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskopAtomları dünya gözüyle görmek ister misiniz? Bilim insanları tek tek atomları gören taramalı tünel kuantum mikroskop geliştirdiler ve biz de bugünkü en hızlı bilgisayar işlemcilerini bu mikroskoba borçluyuz. Neden derseniz: 2019’da satılan en güçlü işlemciler metrenin milyarda 7’si (7 nanometre) boyunda ve yaklaşık 40 milyar transistor içeriyor. Corona’ya rağmen bu yıl 5 nm işlemcilerin piyasaya çıkması bekleniyor. Günümüzün en hızlı bilgisayarlarını üretmek için bize kuantum mikroskop gerekiyor. Peki taramalı tünel kuantum mikroskop nasıl çalışıyor?

Kuantum mikroskop hikayesi

Bugün satışta olan en güçlü işlemci 2019 yılında pazara sürülen ve 39,54 milyar transistor içeren 7 nm çözünürlükteki Epyc Rome CPU’sudur. AMD tabanlı bu üç boyutlu CPU gofret gibi üst üste binen 8 transistor katından üretildi. Kat çıkarken yerden tasarruf sağlayan en güçlü CPU’nun üretiminde FinFET 3D işlemci teknolojisi kullanıldı.

Oysa en güçlü CPU’ları üretmek için atom kalınlığında transistorlar lazım. İşte o 40 milyar transistoru MOSFET teknolojisiyle neredeyse kusursuz bir şekilde yan yana dizmek için de atomları dünya gözüyle görme ve maniple etme ihtiyacı ortaya çıkıyor.

Atomları görmek söz konusu olduğunda molekül gruplarını seçebilen elektron mikroskobu bile yetersiz kalıyor ve bize taramalı tünel mikroskobu gerekiyor. 1970’li yıllarda İsviçreli bilim Heinrich Rohrer ile Gerd Binning de öyle düşündü ve 1930’larda geliştirilen elektron mikroskobunun yerine, en küçük atomları bile görebilecek kadar güçlü olan yeni bir kuantum mikroskop geliştirmeye karar verdiler.

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Taramalı tünel mikroskobunun (STM) atom boyundaki ultra keskin iğnesi tek tek atomları tarayıp görüntülüyor.

 

Kuantum mikroskop nasıl icat edildi?

1970 yılında Zürihli iki fizikçi olan Rohrer ve Binning ince bir metal yaprak üzerindeki atomları tek tek görmeyi amaçladıklarında bu daha önce hiç yapılmamış bir şeydi. O zamanlar kişisel bilgisayarlar (PC) yoktu. Dolayısıyla akıllı telefon, tablet, Playstation vb. de yoktu; ama iki bilim insanı masa üstüne sığacak kadar küçük bilgisayarlar geliştirmek için ne tür malzemeler kullanacaklarını araştırıyordu. Bunun için de silikon devre tabanlarını incelemeye karar verdiler.

Silikon tabanlı elektronik devreler, yani yarıiletken bütünleşmiş (entegre) devreler bugünkü bilgisayar teknolojisinin temelidir ve bunları oluşturan mikroskobik teller (transistorlar) silisyum atomlarından üretilen silikon levhalar üzerine ışıkla baskı tekniği ile işlenir (fotolitografi).

Bu tür devre baskıları en küçük işlemcilerin ucuza seri üretilmesine izin verir; ama burada icatlar ve inovasyon tarihinden söz ediyoruz: Bilim insanları 1970’lerde elektronik devreleri nasıl üreteceklerini bilmiyor ve buna uygun materyalleri araştırıyordu. IBM laboratuarlarında çalışan Rohrer ve Binning silisyum atomlarını tek tek görebilecekleri bir mikroskop tasarlamak istediler.

1930’larda geliştirilen elektron mikroskobu metrenin binde biri ila milyonda birini görmeye izin veriyordu; ama atomları görmek veya moleküllerin etkileşimini gerçek zamanlı olarak izleyebilmek için yeni bir teleskopa ihtiyaç vardı. Taramalı Tünel Kuantum Mikroskopu (STM) böyle doğdu: Silikon levha yüzeyindeki atomları görmek levhaya nasıl mikroskobik devre basılabileceğini de gösterecekti.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Taramalı Tünel Mikroskobu mucitleri Nobel Ödülü aldı.

 

Kuantum mikroskoba çok şey borçluyuz

Bugün bu mikroskopları atomik veri depolamadan insan kanını incelemeye, moleküler biyolojiden kanser tedavisi geliştirmeye ve kök hücreler ile gen tedavisine kadar birçok alanda kullanıyoruz. Hatta yağmurluk ve botlarınıza spreyle teflon püskürterek onları su geçirmez kılmayı da atomik mikroskoplara borçluyuz ama her şeyin bir başlangıcı var:

Her ne kadar 1970’lerde atomları tek tek görmek özel durumlar hariç imkansız olsa da atomları bir iğne ucunda topladığınız zaman görmeyi sağlayan ilkel taramalı mikroskop öncülleri vardı.

İşte Zürihli araştırmacılara bunlar esin kaynağı oldu fakat yeterli değildi; çünkü silikon levhanın yüzeyindeki bütün atomları bir arada görerek bu malzemenin devre baskısına uygun olup olmadığını anlamak da istiyorlardı. Devre baskısı sırasında mikroskobik çatlaklar oluşacak veya baskı devreler levhayla iç içe geçecek miydi? Yoksa bilgisayar ısınmaya başlayınca levha eriyecek miydi?

Atomik malzeme ve alaşım bilimine hoş geldiniz! Nitekim silikon levhalar tek bir atomdan oluşmaz. Milyarlarca atomun yan yana dizilmesiyle oluşur. Üstelik atomlar bir arada olduğunda fiziksel özellikleri değişir. Metallere, kimyasallara, baskı malzemesine, ısıya, ışığa ve elektriğe farklı tepki gösterirler. Heinrich Rohrer ve Gerd Binning dünyanın ilk endüstriyel atom mikroskobunu geliştirmek istedi:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Optik mikroskop işe yaramaz

Optik mikroskopları her yerde bulabilirsiniz. Akıllı telefona takılan aparatlarını internette bulabilir ve bunlarla telefon kamerasını sudaki mikropları görebileceğiniz basit bir mikroskoba dönüştürebilirsiniz. Oysa bazı deneysel modeller hariç ve o da sınırlı olmak kaydıyla optik mikroskoplar atomları göremez.

Bunun nedeni bir şeyi görmek için aydınlattığımız zaman, ışık dalgalarının görüntülemek istediğimiz cisimden küçük olmasının gerekmesidir ve optik mikroskopların çalıştığı görünür ışığın dalga boyu da 380-470 nanometredir. Öyle ki merceklerle ışığı odaklayıp dalga boyunu kısaltsanız bile bugünkü 7 nm’lik CPU detaylarını seçemeyeceğiniz kesindir. Süper mikroskopi tekniği ile 20 nm boyundaki örnekleri görüntüleyebiliriz; ama bu da ulaşmak istediğimiz çözünürlükten 4 kat düşüktür.

Öyle ki 2020 yılında 5 nm devreler geliştirilecek olup silikon devrelerde ulaşmak istenen nihai hedef 2 nm’ye ulaşmaktır. Ondan sonra silikon devreler yeterli olmayacak ve daha küçük baskı tekniklerini çok daha etkili bir yarıiletken olan grafen devreler üzerinde kullanacağız. Evet, silikon devreleri 45 yıldır tanıyoruz ama baskı çözünürlüğü arttıkça baskı tekniklerini güncellemek ve bunun için de atom mikroskobu kullanmak gerekiyor. Taramalı tünel mikroskobu (STM) bunun önünü açtı:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Işığın dalga boyu atomdan büyük olduğu için optik mikroskop atomları göremez. Büyütmek için tıklayın.

 

Atomlar çok küçüktür

2025’e dek 2 nm’lik CPU’lar üreteceğimizi söylüyoruz ya; bir atom nanometrenin binde 6’sı boyundadır. Sonuçta madde atomlardan oluşur ve bizim de yepyeni bir fizik geliştirene kadar atomdan küçük ölçeklerde imalat yapmamız imkansızdır. Moleküler seri imalatın 20 yıl ve atomik imalatın da 40 yılda başlamasını bekliyoruz ama bunun için bize daha da gelişmiş mikroskoplar gerekecek (Karşılaştırma açısından Corona virüsü 125 nm ve en küçük virüsler de 80 nm boyundadır).

Corona virüsünün bir yüzüne bugünkü teknolojiyle 19 adet 7 nm transistor sığdırabiliriz; ama çok daha ötesine gitmek için STM ve onu temel alan daha gelişmiş kuantum mikroskopları kullanmamız gerekiyor. Örneğin elektron mikroskopları numunelerin içinden geçen elektron ışınları gönderir ve sonra da bunları bir ekran üzerinde odaklar (benzer bir teknoloji eski tüplü TV’lerde görüntü üretmek için kullanılıyordu). Böylece elektron mikroskopları cisimlerin mikro yapısını gösterebilir.

Yine de belgesellerde atomları görüntüleyebildiği söylenen elektron mikroskopları görmüş olabilirsiniz. Ancak, bunların çözünürlüğü atom görmeye yeterli değildir. Atmosferin ışığı bulandırma etkisini düzelterek teleskopları miyop olmaktan kurtaran algoritmalar ve piksel klonlama yazılımlarından yararlanırlar. Böylece atomların yapay görüntüsünü üretirler ama silikon devre tasarımı için bu yetmez.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

İzolasyon folyosuyla birlikte.

 

X-ışını mikroskopu kullansak?

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam X-ışınları var ve bunların frekansı çok yüksektir. X-ışınları kullanamaz mıyız?” Gerçekten de X ışınları ile 10 nm ila nanometrenin binde 1’i çözünürlüğe ulaşabiliriz. Ancak, bu aynı zamanda görmek istediğiniz silikon levhayı eritip yok etmek demektir. X-ışınları çok yüksek frekanslı ışık ışınlarından oluşur ve çok zararlıdır. Bu sebeple saniyenin milyonda biri gibi ultra kısa aralıklarla ateş eden X-ışını tabancaları ile kısa gözlemler yaparak numuneyi korumaya çalışırsınız.

Bugün yumuşak X-ışını teknikerini kullanarak 5 nm çözünürlüğe eriştik fakat malzeme bilimi için silikon levhayı uzun süre taramak zorundasınız. Bu uzun sürede atom genişliğinde dalga boyuna sahip X-ışınları kullanırsanız levha termonükleer patlamaya maruz kalmış gibi yok olur. Özetle kontrolsüz güç güç değildir! Taramalı tünel mikroskopu ise incelediğiniz maddeye zarar vermez. Peki nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

Taramalı tünel mikroskobu iğnesi pikap iğnesi gibi çalışır ve incelenek olan yüzeydeki atomları tek tek “okur”.

 

Kuantum mikroskop nasıl çalışıyor?

STM diğer teleskoplardan 10-100 kat yüksek çözünürlüğe sahiptir, yani yanal çözünürlüğü 0,1 nm ve derinlik çözünürlüğü de 0,01 nm’dir; ama tasarım sınırlamaları gereği atomları sadece kuşbakışı veya izometrik olarak görebilir. Buna bilgisayar oyunlarından örnek verecek olursak Batman oyunlarıyla Pillars of Eternity gibi bir oyunu karşılaştırabilirsiniz. Peki bu ne demektir?

Heinrich Rohrer ve Gerd Binning pikap iğnesi gibi bir mikroskop tasarladılar. Bu iğne tıpkı pikaptaki ses kaydını oluşturan çizgilere dokunan pikap iğnesi gibi atomlara yukarıdan dokunacaktı. Böylece atomların yerini tek tek tespit edip hepsini görüntüleyecekti. Bunun için de ideal olarak tek atom boyunda süper ince bir iğne ucu gerekiyordu; çünkü iğne ucu ne kadar inceyse o kadar küçük parçacıkları görüntüleyebilecekti. Peki bu ultra ince iğneyi nasıl üreteceklerdi?

Bunun için elektrokimyasal kazıma denilen bir teknik kullandılar: Önce eski ampullerde kullanılan türden adi bir tungsten tel aldılar ve bunu çelik levhaya bağladılar. Ardından arkada levha ve önde tel olmak üzere bunları şekilde görüldüğü gibi bir hidroksit (NaOH) çözeltisine batırdılar ki bu da güçlü bir bazdır (Hidroksit OHiyonları içeren bir baz maddedir, bazlar H+ iyonları içeren asidin tersidir). Şimdi işin kimyasal kazıma tarafına geliyoruz:

İlgili yazı: Periyodik Tabloda Keşfedecek Kaç Element Kaldı?

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Tungsteni hidroksit çözeltisine batırarak ucunu ultra ince iğne halinde sivrileştiririz.

 

Kuantum mikroskop ve tungsten kazıma

Bilim insanları tungstenin bir kısmını sıvının dışında bıraktılar ve hidroksit çözeltisi de yüzey gerilimi sayesinde tungsten telin tam suya girdiği yerde kabartı yaptı (buna menüsküs veya ayça denir). Ardından tungsten tel ile çelik plaka arasında voltaj yarattılar ve elektrik yüklü parçacıklar ikisi arasında geçiş yapmaya başladı. Bu da menüsküs üzerinde kimyasal reaksiyon başlattı.

Hidroksitle tepkimeye giren tungsten telin dış yüzeyinde tungstat oluştu. Tungstat da suda paslanır gibi çözülerek tungsten telin dıştan içe gittikçe incelmesine yol açtı. Böylece resimdeki gibi ultra ince bir iğne ucu üretildi. Nihayet telin alt ucu incelip koptu ve geriye çok keskin bir iğne kaldı.

Ancak, bu iğne henüz tek atom kalınlığında değildi ki siz de kaba iğnenin elektron mikroskobuyla çekilen fotoğrafını görüyorsunuz. Elektronlar renkleri görmenize izin vermediği için siyah-beyaz olan bu fotoğrafı üreten mikroskobun çözünürlüğü atom boyundan büyüktür. Sonuçta elektrokimyasal kazıma kusursuz bir teknik değildir ve iğneyi daha da inceltmeniz gerekir. Peki iğneyi nasıl incelttiler?

İlgili yazı: Elon Musk Starlink Uyduları ile Mars’a Nasıl Gidecek?

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

 

Güçlü elektrik alanları kullandılar

Rohrer ve Binning o kadar güçlü elektrik alanları yarattı ki iğnenin ucundaki tungsten atomları yer değiştirip üst üste dizilerek nihayet tek atomluk bir iğne ucu üretti. Oysa iğneyi üretmek bir şey, bu iğneyi incelenecek olan silikon devre levhasının üzerine indirip yüzeydeki atomlara tek tek dokunmak başka bir şeydir. Açıkçası iğnenin her seferinde bir atomun üzerinde durduğunu nereden bileceklerdi? Atomların arası boşluktur. Öyleyse iğnenin boşluğa geldiğini nasıl ayırt edeceklerdi?

İşte bunun için kuantum fiziğinde kuantum tünelleme olgusundan yararlandılar: Bilim insanlarının süper hassas mikroskop için her türlü titremeyi önlemesi gerekiyordu. Yoksa iğne atomların üzerinden kayıp boşluğa gelebilirdi. Bu da hem kaydığı hem de boşluğa geldiği için çözünürlüğü düşürür ve görüntünün tek tek atomları seçemeyecek kadar bulanık olmasına yol açardı. Doğrusu mikroskopun titremesini önlemek iğnenin titreyip titremediği ve ne kadar titrediğini anlamaktan kolaydı!

Sonuçta insanlar konuşarak havayı ses dalgalarıyla titreştirir, ayak sesleri zemini titretir, arabalar dışarıdan vızır vızır geçer… Bütün bunlar atom mikroskobu için deprem şiddetindedir. Bütün bu sarsıntıları mikroskobu ortamdan yalıtarak önlersiniz. Örneğin mikroskobu mutlak sıfıra dek soğutursanız bizzat tungsten iğne atomlarının titreşmesinden kaynaklanan gürültüyü azaltırsınız. İki bilim insanı da mikroskobu elektromıknatısların üzerinde oluşan manyetik alan yastığıyla dengelediler.

İlgili yazı: Corona Virüsü Neden Yarasalar Üzerinden Bulaştı?

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Taramalı tünel mikroskobu nasıl çalışıyor? Büyütmek için tıklayın.

 

İğneye gelince

Bunu çözmek çok daha zordu ama Rohrer ile Binning dahice bir fikirle kuantum tünellemeden yararlanarak bu sorunu da hallettiler ve Taramalı Tünel Mikroskobunu geliştirdikleri için 1986’da Nobel Fizik Ödülünü aldılar. Kuantum tünellemeyi ayrıca yazdım ama bunu atomların çok garip olmasıyla açıklayabiliriz: Atomlar günlük dünyadaki nesneler gibi davranmaz ve ders kitaplarında resmedilen klasik atomlara da hiç benzemezler.

Öncelikle tek parça bilardo topuna benzemezler ve aslında elektron bulutuyla çevrili bir çekirdekten oluşurlar. Bu çekirdek de proton ve nötronlardan oluşur. Üstelik hem elektron bulutunun hem de çekirdeğin şekli atomu etkileyen fizik kuvvetlerine göre değişir. Örneğin karbon 14 atomunun şekli karbon 12 atomundan farklıdır ve bu atomların şekli güçlü manyetik alanlar içinde ayrıca değişir!

Eh, kuantum mikroskop ile atomları görmek istediğimize atomları biraz yakından tanımamız gerekir. 😊 Elektron bulutu dememizin sebebi ise elektronların atomlar çevresinde belirli yörüngelerde dönmemesidir. Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre elektronların hangi konum ve yörüngede olacağını kesin olarak bilemeyiz. Bunu ancak olasılıklar halinde bilebiliriz. Bu sebeple elektron yörüngeleri yerine yörüngemsiler ve elektron bulutu yerine de elektron olasılık bulutu vardır.

Bu da bizi kuantum tünellemeye getiriyor: Yine belirsizlik ilkesi nedeniyle elektronlar yakın elektronlar, atomlar ve yörüngelere rastgele sıçrayabilirler. Buna ek olarak atomlar nötrdür, yani proton ve elektron sayısı eşit olduğu için net elektrik yükü de sıfırdır. Dolayısıyla iğnenin ucunu atomların ucuna getirir ve elektronların iğne ucuna tünelleme yapmasını sağlarsanız bunların iğneden değil de görüntülemek istediğiniz atomlardan geldiğinden emin olabilirsiniz. Nasıl derseniz:

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Sarı sivri uçlar altın atomları.

 

Kuantum teleskop ve elektronlar

Rohrer ve Binning silikon levha atomları ile iğne ucunun farklı elektrik potansiyeline sahip olmasını sağladı. Böylece iğneyle atomlar arasında voltaj oluştu ve elektronlar tünelleme yaparak iğne ucuna sıçradı. Üstelik iğne atomlara yaklaştıkça tünelleme akım şiddeti artıyor ve bu geribesleme verisi de iğneyi tam atomların üzerine getirmeyi sağlıyordu.

Sonuçta her tünelleme, resimde görüldüğü gibi tek bir atomun yerinin yüksek kesinlikle bilinmesi ve görüntülenmesine imkan tanıdı. Nitekim taramalı tünel kuantum mikroskop atomları kuşbakışı tarayıp görüntüler. Yukarıdan baktığı için de silikon levha yüzeyindeki atomları kabartmalı bir rölyef gibi gösterir. Elektronik devre üretimi için yüzey taraması yeterlidir.

Sonuçta 1978’de tasarım masasına oturan Rohrer ve Binning 1981 yılında ilk taramalı tünel kuantum mikroskop ünitesini kullanıma soktular. Ben de bu teknolojiyi 1985 yılında Görsel Bilim ve Teknik Ansiklopedisi’ni okurken öğrenmiştim ama kısmet 35 yıl sonra yazmakmış. 😊 O kadar oldu mu? 😮 Her durumda, bu buluşun Nobel Ödülü kazandırmasına şaşmamak gerek. Kimya, kuantum fiziği, elektrik-elektronik mühendisliği ve malzeme bilimini birleştirerek müthiş bir icat yapıyorsunuz. Bu sayede moleküler ve atomik imalatın, yani nanoteknolojinin de önünü açıyorsunuz.

Kuantum mikroskop ve yapay zeka

Gerçi atom görüntülemek için kuantum tünelleme verisini toplamak yetmiyor. Bir de bunu özel bir bilgisayar yazılımıyla resimdeki gibi görselleştirmek gerekiyor. Böylece Rohrer ve Binning yapay zeka tabanlı modern veri görselleştirmenin de temelini atanlar arasına girdiler. Bu da Marks’ın ünlü sözünü genişletmenin zamanı geldiğini gösteriyor: Ekonomik üretim biçimleri değişince yönetim ve yönetişim biçimleri de değişir. Ekonomik üretim biçimleri teknolojiyle değişir ve teknoloji temel bilimlere yatırım yaparak gelişir. Corona sonrası yeni dünya düzeninde temel matematik ve fizik öğrenmek şarttır.

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

Üstten görünüş.

 

Kuantum mikroskop ve nano-sinema

Bugün taramalı tünel mikroskopları ses geçirmez odalardaki vakum pompaların üzerinde duruyor ve Faraday kafeslerinde elektromanyetik gürültüden korunarak neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutuluyor. Böylece metallerin yüzeyindeki atomları yüksek duyarlılıkla görmeyi ve ortamdaki elementlerle nasıl etkileşime girdiğini izlemeyi sağlıyor.

Bu da modern alaşımbilim (metalürji) ve görünmezlik pelerini gibi görünüşte imkansız özelliklere sahip en yeni malzemebilim alanı olan metamateryallerin geliştirilmesine imkan tanıyor. STM ile silisyum, karbon, oksijen ve nikel gibi atomlar inceleniyor. Böylelikle mikrobiyolojiden bilgisayar bilimlerine kadar birçok ana dalda araştırma yapmak mümkün oluyor.

Nitekim IBM mühendisleri STM’in icadından birkaç yıl sonra sadece atomları görüntülemeye değil, maniple etmeye de başladılar. Atom boyunda makine parçaları, çubuklar, manivelalar, çarklar ve dişliler ürettiler. Bunlar da atom ve molekül boyunda çalışan nanoteknolojiyi gerçek kıldı ve nanometre boyundaki mikroskobik robotları, yani nanitleri hayal etmeye başlamamızı sağladı. Siz de tek tek atomlarla çizilen karakterlerden oluşan dünyanın ilk nano-sinema filmini aşağıda izleyebilirsiniz.

Atom boyunda sinema filmi


İlgili yazı: Bütün İlaçlara Bağışıklı Olan Ölümsüz PhiKZ Virüsü

 

Gelelim atomik kuvvet mikroskopuna

Bugün STM eski teknoloji sayılıyor ve sınırları zorlayan araştırmalarda ondan türetilen atomik kuvvet mikroskopları (AFM) kullanılıyor. Bunlar farklı atomlar için farklı uçlar kullanılmasını ve elektronları üst yörüngelere geçen enerjik atomlarla aynı atomların normal halini ayrı ayrı incelemeyi sağlıyor.

AFM’lerde üç tür teknik kullanılıyor: 1) İğnenin yüzeye temas ettirilerek uygulandığı temas yöntemi, 2) İğnenin yüzeye temas etmediği temassız yöntem ve 3) İğnenin yüzeye vurularak uygulandığı vurma yöntemi. Özellikle bu sonuncusunda oynar kol kullanıyor. Zaten atomik kuvvet teleskopunun farkı iğnenin sarkaç gibi sallanan oynar bir kolun ucuna takılmasıdır:

İğnenin ucu örnek yüzeyine yaklaştığında, örnek atomlarıyla iğne atomları arasındaki kuvvetler, oynar kolun Hooke Yasası uyarınca yukarı kalkmasını sağlıyor (tıpkı bir şalter kolunu yukarı kaldırmak gibi). Fizik kuvvetleri derken öncelikle Van der Waals kuvvetinden söz ediyoruz ama mekanik temas kuvveti (iğne atomu ve örnek madde atomundaki elektronların birbirini eş yükle itmesi), kimyasal kuvvetler (elektron bağları oluşması) ve hatta elektrostatik kuvvetler de (statik çekim) devreye girebiliyor.

Sonuç olarak bir tür amortisörlü oynar iğne kullanıyorsunuz ve hem iğnenin elektronik kuantum tünelleme verisini alıyor hem de iğnenin nasıl oynadığını lazerle ölçüyorsunuz. İkisini bir arada kullandığınızda salt atomların üst yüzeyini değil, arasındaki boşlukları da derinlikli ölçebiliyorsunuz. Bu da metal yüzeylerindeki atomları sadece kuşbakışı olarak değil neredeyse 3B olarak görmenizi sağlıyor.

İlgili yazı: Sonsuz Hafıza >> Yeni 5D optik diskte 360 terabayt veriyi 14 milyar yıl sakla

Atomları-tek-tek-gören-kuantum-mikroskop

Atomik Kuvvet Teleskopu (AFM) nasıl çalışıyor? Voltaja göre örnek yüzeyinde hangi elementin atomlarını “okuyacağınızı” seçebilirsiniz. Büyütmek için tıklayın.

 

Kuantum mikroskop ne işe yarıyor?

Kuantum mikroskop, bu akşam 21.00’de Instagram canlı yayında anlattığım “Corona sonrası yeni dünya düzeni bağlamında mikrobiyolojinin” geliştirilmesini sağlıyor. AFM mikroskopları hücre bölünmesi sırasında DNA’nın kopyalanmasını ve bakterilerde protein sentezlenmesi gibi süreçleri canlı izlemeye olanak veriyor. Gelecekte bu teknoloji ile virüs aşısı geliştirileceğinden emin olabilirsiniz.

Öyle ki 2060’lardan itibaren femtometre ölçeğinde, yani metrenin katrilyonda biri çözünürlükte ve üç metreküplük süper gerçekçi evren simülasyonları yapabileceğiz. Bu da evren bir simülasyon mu sorusunu daha iyi yanıtlamamıza izin verecek; ama kuantum mikroskop bugün de çok faydalı. Örneğin tek tek atomlara veri biti kaydetmemizi sağlıyor.

Gelecekte atomik SDD’ler ve flash bellekler üreteceğiz. Bu da ultra yüksek veri sıkıştırma ile dünyadaki bütün kitaplıkları tırnak boyuna sığdırmamızı sağlayacak. Verileri manyetik olarak kaydedilen 1 ve 0’larla saklayan sabit disk sürücüleri yerine atomik depolama alanları kullanabileceğiz. STM ile atomları tek tek manyetize ederek atoma veri kaydedeceğiz. Ultra veri sıkıştırma zaten çok verimlidir. Bir de veriyi 1000 yıl silinmeyecek kadar güçlü şekilde atomlara kaydedersiniz tadından yenmez.

Bu neden faydalı derseniz: Atomik SDD’leri manyetik alanlarla veya yüksek ısıya maruz kılarak silmek imkansızdır. Mıknatıs değince bozulmayan veya çakmak değince yanıp kaydı silinmeyen kredi kartları ve akıllı telefonlar düşünün… Üstelik bilimi bambaşka noktalara götüren bu kuantum mikroskop buluşunu, sadece silikon elektronik devreler üzerindeki atomlara tek tek bakarak daha güçlü işlemciler üretmek isteyen iki Zürihli bilim insanı yaptı. İşte merak duygusuyla bilim ve teknolojinin gücü budur.

Geleceğe bakış

Peki evren bir simülasyon mu ve uzay enerji halkalarından mı oluşuyor? Onu da şimdi görebilir, evrenin veri depolama alanına ve kuantum üstünlüğün ne zaman geleceğine bakabilir; hatta hızınızı alamayarak evren simülasyonu yapan en küçük kara delik kuantum bilgisayara göz atabilirsiniz. Merak duygusunuz atomik iğneden keskin olsun.

Kuantum mikroskop nasıl çalışıyor?


1STM and Atomic Force Microscope AFM
2Scanning  Tunneling  Microscopy  – From  Birth  to  Adolescence (PDF)
3STM Single Atom/Molecule Manipulation and Its Application to Nanoscience and Technology (PDF)
4Transmission Electron Microscopy (TEM)

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir