ואקום: למה, כמה ואיך. רשימה על כלום

מה זה ולמה זה טוב?

בפשטות, ואקום הוא אין חומר. אם נאמר על נפח מסוים שיש בו ואקום (מושלם) הכוונה היא שיש בו כלום, כלומר אין בו דבר, אין בו מולקולות של חומר.

כאשר אומרים למשל שגבינה צהובה ארוזה בואקום, יש בפנים כמובן גבינה, אך מלבד לגבינה שניתן לחשוב עליה במקרה זה כחלק מהדופן אין שם מולקולות. ואם נדייק אז יש בפנים מעט מאוד מולקולות. לכן בדרך כלל ואקום שאינו תיאורטי הוא ואקום חלקי. כל נפח המכיל מולקולות (למשל אויר) בצפיפות נמוכה מזאת שמסביבנו הוא בואקום.

ואקום הוא כלי שימושי גם בחיי היום-יום וגם במחקר מדעי. לדוגמא, נורות חוט-להט מכילות ואקום על מנת להגן על חוט הלהט, והדופן של תרמוס נמצא בואקום כדי למנוע מעבר חום. חום מועבר דרך תנודות של חלקיקים ולכן ואקום, שבו יש מעט מאוד חלקיקים, הוא מוליך חום גרוע. תכונת בידוד החום משמשת גם את מעבדות המחקר שעוסקות במדידות בטמפרטורות נמוכות. דוגמא נוספת לשימוש בואקום היא בתהליכים שבהם יש ירי חלקיקים, למשל במיקרוסקופ אלקטרוני או בתהליכי ייצור מסוימים בתעשיית המוליכים למחצה. וישנן עוד דוגמאות רבות.

תמונה 1: הדפנות של תרמוס נמצאות בואקום להשגת בידוד. המקור לתמונות: ויקיפדיה, לשם הועלו על ידי המשתמשים Denae Bedard, Acdx.

איך מודדים את זה?

חוזק הואקום נקבע על ידי צפיפות החלקיקים שנותרה בנפח שנשאב, והיחידות הם של לחץ, כאשר ואקום הוא לחץ הנמוך מלחץ אטמוספרי. יחידת הלחץ שבה משתמשים בדרך כלל למדידת ואקום היא 'torr'. היחידה מוגדרת על ידי אחת משיטות המדידה הפשוטות ביותר של לחץ שהיא עמוד כספית.

כפי שניתן לראות באיור 2, מדובר בצינור שקוף בצורת U שפתח אחד שלו נמצא בלחץ ידוע, נניח לחץ אטמוספרי כלומר פתוח לאוויר, והפתח השני חשוף ללחץ אותו אנחנו רוצים למדוד. עקב הפרש הלחצים ייווצר כוח על הנוזל שיגרום להבדלי גובה בין שני העמודים. גודלו של הפרש הגבהים נתון על ידי הפרש הלחצים מחולק בצפיפות הנוזל ובתאוצת הכובד. הכספית מתאימה למדידה כי היא לא תתנדף אל תוך הואקום, ובגלל הצפיפות הגבוהה שלה נוכל למדוד בטווח רחב של הפרשי לחץ. תזוזה של עמוד הכספית במילימטר אחד שקולה ל-1torr.

איור 2: מנומטר כספית. הפרש הגבהים של הנוזל פרופורציוני להפרש הלחצים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Ruben Castelnuovo.

אם ערכו של לחץ אטמוספרי הוא 760torr אז ואקום הנוצר למשל משואב אבק מסווג כואקום חלש וערכו בערך 25torr. ואקום בחוזק זה לא יאפשר לכם לפתוח מיכל שאוב. אבל זאת רק ההתחלה.  ואקום בינוני מוגדר עד 10^-3torr, ואקום גבוה עד 10^-9torr, וואקום אולטרה-גבוה עד 10^-12torr.

ישנן מספר שיטות למדוד ואקום, למשל לשים דיאפרגמה גמישה בין שני תאים בלחץ שונה. הכיפוף שנוצר בדיאפרגמה עקב הפרש הלחצים מכויל ומתורגם למדידת לחץ. אך כדי למדוד ואקום בינוני וחזק יש צורך בטכניקות מתוחכמות יותר המודדות לחץ בעקיפין דרך מדידת גדלים מסוימים האופייניים לואקום כמו מוליכות חום ותכונות אחרות (אפשר לקרא כאן).

איך משיגים את זה?

כדי להשיג ואקום במיכל יש לשאוב את חלקיקי הגז החוצה. לשם מטרה זאת פותחו במשך השנים מספר רב של משאבות מסוגים שונים. אני אתמקד רק במספר קטן של משאבות שבהן נתקלתי במעבדות מחקר במהלך עבודתי. כמו כן, נראה כי השגת ואקום גבוה הוא תהליך הדרגתי.

קל להשיג ואקום חלש בעזרת שואב אבק, משאבת של אופניים או משאבת מים (ראו איור 3). הרעיון מאחורי משאבת המים ישמש אותי בהמשך ולכן אתמקד בו. בשלב ראשון מחברים מיכל אטום (גוף המשאבה) לנפח שאותו רוצים לשאוב. כעת מגדילים את הנפח על ידי ידית מכאנית ובכך מקטינים את הלחץ במיכל, כלומר מייצרים ואקום. עקב כך נוצר הפרש לחצים בין המיכל לנפח הנשאב וחומר יזרום לתוך המיכל. מנתקים את המיכל מהנפח ופותחים אותו לאוויר לריקון החומר. מחברים שוב את המיכל לנפח וחוזר חלילה. בעזרת המנגנון המכאני כל הפעולות האלה קורות ברצף בעקבות תפעול הידית של המשאבה.

איור 3: משאבת מים ידנית. המקור לאיור: ויקיפדיה.

משאבת המים הפשוטה שייכת למשפחת משאבות בשם positive displacement pump, והרעיון הבסיסי דומה בכולן אך המימוש המכאני שונה. כדי להשיג ואקום בחוזק בינוני יש להשתמש במשאבה חזקה יותר, למשל משאבת רוטציה (rotary vane pump, ראו איור 4). המשאבה מורכבת מחלל (אפור) שבתוכו רוטור (כחול) ועליו שני התקנים קפיציים (אדום) שנשארים צמודים תמיד לדופן וכך מייצרים את שני החללים הדרושים לשאיבה. תוך סיבוב הרוטור החלל השמאלי שמחובר לנפח הנשאב מתרחב ויונק חומר פנימה. בינתיים החלל הימני מחובר ליציאה ומפנה חומר. תוך חצי סיבוב החללים מתחלפים ביניהם והחומר שנשאב משמאל מפונה מימין, ושוב יש יניקה משמאל.

איור 4: חתך סכמטי של משאבת רוטציה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Rainer Bielefeld.

כל זה טוב ויפה, אך בשביל לקבל ואקום גבוה זה לא מספיק. השלב הבא הוא משאבת טורבו (Turbomolecular pump). משאבה זאת מורכבת מסדרה של להבים המסתובבים במהירות גבוהה וחובטים פנימה כל חלקיק המגיע בדיפוזיה (ראו תמונה 5). הלהבים מסודרים בזוויות ומרחקים משתנים כך שהחלקיקים נדחסים לצפיפות גבוהה יותר כדי שנוכל לפנות אותם בעזרת משאבה חלשה יותר כגון רוטציה. למעשה, מהסיבה הזאת לא ניתן להפעיל משאבת טורבו ללא משאבת רוטציה. סיבה נוספת היא שצריך לפנות את החלקיקים מחלל המשאבה לפני הפעלת הטורבו כדי למנוע התחממות ונזק ללהבים.

תמונה 5: חתך לתוך משאבת טורבו. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש liquidat.

אנחנו כמעט בסוף. כדי להשיג ואקום אולטרה-גבוה, יש להתחכם עוד קצת. את החלקיקים הבודדים שנותרו משייטים בחלל לא ננסה לפנות החוצה אלא דווקא להדביק פנימה בעזרת חומר שהכנסנו מראש. לאחר שמגיעים לואקום גבוה מחממים את החומר, המכונה Getter, לטמפרטורה גבוהה שגורמת לנידוף של חלקיקים שלו לחלל. כאשר החלקיקים פוגשים בדפנות הם נדבקים אליהן ומייצרים ציפוי פנימי. מולקולה בנפח שפוגעת בציפוי נדבקת אליו עקב אינטרקציה כימית עם ה-Getter ואינה משפיעה על הלחץ.

ממעבדת הפיזיקה לביתכם בפחות מ-10 שנים – על שסתום לספינים

כאשר מדברים על שסתום הכוונה היא בדרך כלל לרכיב מכאני שמווסת זרימה של גז או נוזל בצנרת, לדוגמא ברז שסוגר או פותח את זרימת המים לכיור או הוונטיל בפנימית של גלגל האופניים.

איור 1: ברז מים שעליו מצויר המנגנון. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Chabacano.

גם טרנזיסטור הוא סוג של שסתום שמווסת זרם חשמלי. ההקבלה בין זרם מים לזרם חשמלי נובעת מההקבלה בין תנועה של מולקולות מים ממקום למקום לתנועה של אלקטרונים. הטרנזיסטור משפיע על הזרם באמצעות יצירת שדה חשמלי הפועל על המטען החשמלי של האלקטרונים.

לאלקטרונים יש עוד משהו שהם גוררים איתם ממקום למקום והוא הספין. האם ניתן לווסת את תנועתם של האלקטרונים גם תוך שימוש בתכונת הספין, כלומר האם ניתן לייצר שסתום לספינים? התשובה חיובית, ולמעשה לכל אחד מכם יש לפחות אחד כזה בבית.

ברוכים הבאים לתחום הספינטרוניקה.

מבוא קצרצר – ספינים, מומנט מגנטי ו-MR

הספין הוא תכונה קוונטית של חלקיקים. עבור אלקטרונים נוח לדמיין אותו (גם אם זה לא נכון) כסבסוב של האלקטרון סביב צירו. הסבסוב יכול להתבצע עם או נגד כיוון השעון ולכן יכול לקבל אחד משני מספרים קוונטיים שווים בגודלם והפוכים בסימנם. הספין הוא הגורם להופעה של המומנט המגנטי הפנימי של האלקטרון. את המומנט המגנטי קל לדמיין כחץ המצביע לכיוון כלשהו. כאשר החץ נמצא תחת השפעה של שדה מגנטי, הוא יסתובב ויצביע לכיוון השדה.

חומרים פרומגנטיים הם חומרים שבהם למומנטים המגנטיים הנובעים מהספין יש נטייה להסתדר באותו כיוון באופן ספונטני גם ללא הפעלה של שדה חיצוני. כאשר כל המומנטים המגנטיים בחומר מצביעים לאותו כיוון החומר יהיה מגנטי ונוכל למשל להדביק אותו למקרר.

כבר ב-1856 גילה הפיזיקאי וויליאם תומפסון (הידוע כלורד קלווין) שניתן להשפיע על ההתנגדות החשמלית של חוט ברזל על ידי הפעלה של שדה מגנטי חיצוני. תופעה זאת נקראת באופן כללי magnetoresistance או בקיצור MR, ויש מספר מנגנונים הגורמים לה. כמו כן, נמצאו לה מספר שימושים למשל בראשי קריאה של דיסקים מגנטיים ובחיישני שדה מגנטי.

גדול, ענק, בינלאומי! GMR

בעולם המדע לא חסרים מקרים משונים. במשך 120 שנים, מימי תומפסון ועד שנות ה-80 של המאה ה-20, לא חלה כל התקדמות בנושא רגישות ה-MR. ואז, כמעט בו זמנית, גילו שתי קבוצות מחקר תופעה חדשה ומסעירה: MR מסוג חדש שגורם לשינויים ענקיים בהתנגדות החשמלית, הרבה יותר ממה שהיה מוכר עד אז. עקב כך התופעה נקראה Giant MagnetoResistance או בקיצור GMR. עקב הגילוי זכו בשנת 2007 פיטר גרונברג (Grünberg) ואלברט פרט (Fert) בפרס הנובל לפיזיקה.

האפקט בא לידי ביטוי בחומרים המורכבים מסדרת שכבות דקות (כמה שכבות אטומיות בלבד) של חומרים פרומגנטיים ומתכות רגילות (לא מגנטיות) הצמודות אחת לשניה בסדר מתחלף (ראו איור 2). בזמן הגילוי החומרים ששימשו את החוקרים היו ברזל כחומר פרומגנטי וכרום כמתכת רגילה. עיקר החדשנות לא היתה מוגבלת רק לגילוי אפקט חזק יותר. גרונברג ופרט הראו שמה שמתרחש במערכות האלה אינו ניתן להסבר על ידי המנגנונים המוכרים ל-MR.

איור 2: GMR. חלק עליון) מבנה שכבות של שסתום ספינים. בכחול חומרים פרומגנטיים ובכתום מתכת רגילה. כאשר הספין של האלקטרון בכיוון המגנטיזציה, הסיכוי לפיזור גבוה יותר. חלק תחתון) נשרטט מעגל חשמלי שקול שבו אזור עם סיכוי גבוה לפיזור מסומן על ידי התנגדות חשמלית גבוהה ולהיפך. המקור לאיור: ויקיפדיה.

אז איך זה עובד?

נניח לשם פשטות שיש לנו 3 שכבות: שתי שכבות פרומגנטיות המופרדות על ידי שכבת מתכת לא מגנטית. את הזרם החשמלי נעביר בכיוון ניצב לשכבות כך שהאלקטרונים חייבים לעבור דרך כל שלושת השכבות בין שתי האלקטרודות. כמו כן נייצר את השכבות כך שכיוון המגנטיזציה של כל שכבה פרומגנטיות הפוך ביחס לשכבה הפרומגנטית האחרת (ראו איור 2). באמצעות הפעלה של שדה מגנטי חיצוני ניתן לסובב את כיוון המגנטיזציה באחת השכבות כך שכיוונן יהיה זהה.

עובדה נוספת שיש לדעת היא שיש הבדל גדול בין ההתנגדות החשמלית של שכבה פרומגנטית עבור אלקטרונים עם ספין בכיוון המגנטיזציה לבין ההתנגדות עבור אלקטרונים בכיוון ספין הפוך. לספינים ולמומנטים מגנטיים בכיוון הפוך אין על מה לדבר אחד עם השני ולכן הספינים עוברים ללא הפרעה. לעומת זאת אם הם באותו כיוון הספינים עוצרים לקשקש ביחד עם הרבה מומנטים ויותר קשה להם לעבור.

נניח שחצי מהאלקטרונים שמהווים את הזרם החשמלי הם בעלי ספין בכיוון מסוים וחצי בכיוון ההפוך, כלומר במעבר בחומר הפרומגנטי חציים בכיוון המגנטיזציה וחציים בכיוון ההפוך.

ללא הפעלת שדה מגנטי חיצוני כיוון המגנטיזציה בשני האזורים הפרומגנטיים הפוך. כלומר כל אלקטרון, ללא תלות בכיוונו, יעבור פעם אחת באזור בעל התנגדות גבוהה ופעם אחת בהתנגדות נמוכה (ראו איור 2). לעומת זאת, כאשר מפעילים שדה מגנטי כיוון המגנטיזציה בשני האזורים הפרומגנטיים זהה. כתוצאה מכך חצי מהאלקטרונים יעברו שני אזורים בהתנגדות נמוכה והחצי השני יעברו פעמיים בהתנגדות גבוהה. אם ההפרש בין התנגדות הגבוהה לנמוכה גדול, ניתן להראות שההתנגדות במקרה ללא שדה מגנטי גבוהה בהרבה מההתנגדות במקרה עם שדה. הפעלת השדה החיצוני הקטינה באופן משמעותי את ההתנגדות החשמלית מכיוון שחצי מהאלקטרונים תמיד יעברו בקלות וישמשו כסוג של קצר במעגל החשמלי.

ההפרש בין ההתנגדויות החשמליות של שני המקרים (עם ובלי שדה) הוא ה-GMR, והרכיב המתואר מתפקד בעצם כשסתום לספינים (spin valve) המווסת זרם חשמלי באמצעות שדה מגנטי (ראו איור 3). דבר נוסף שניתן לעשות הוא לנטר את הזרם החשמלי ברכיב וכך למדוד שינויים בשדה המגנטי החיצוני. בצורה זאת יכול הרכיב לשמש כגלאי שדה מגנטי.

איור 3: שסתום ספינים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש A13ean.

משנת 1997 (פחות או יותר) כל ראשי הקריאה בדיסקים הקשיחים במחשב מכילים רכיב GMR כגלאי. הביט המגנטי בדיסק הוא בעצם אזור עם מגנטיזציה בכיוון מסוים שמייצרת שדה מגנטי. כאשר ראש הקריאה קרוב לאזור הביט, השדה ישנה את התנגדות רכיב ה-GMR וכך יוכל להבדיל בין ביט '0' או '1' (קישור לסרטון נחמד של IBM).

תמונה 4: רכיבי הקריאה והכתיבה בקצה הזרוע בתוך דיסק קשיח. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

מכיוון שה-GMR הוא אפקט חזק יותר ממה שהיה בשימוש קודם לכן, נוכל לגלות בעזרתו אותות חלשים יותר ולכן ניתן ליצר ביטים קטנים יותר בצפיפות גבוהה יותר על גבי דיסק של זיכרון מגנטי.

טראבייטים-היר-איי-קאם. הידד!