Lesbók Morgunblaðsins - 21.03.1987, Page 2

V I Ð YSTU SJONARROND
Um Nóbelsverðlaunin
í eðlisfræði
EFTIR DR. ÞORSTEIN L SIGFÚSSON
Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 1986 voru veitt
þremur eðlisfræðingum, sem í orðsins fyllstu
merkingu hafa víkkað sjóndeildarhring þekk-
ingar á náttúrunni. Verðlaunin voru veitt
þeim Ernst Ruska, Gerd Binnig og Heinrich
Rohrer fyrir þróun rafeindasmásjárinnar
og hinnar svokölluðu smugsjár.
Elsti Nóbelsverðlaunahafinn, Ernst
Ruska, er fæddur í Heidelberg 1906. Hann
var framúrskarandi stúdent, einkum í til-
raunaeðlisfræði. Aðeins tuttugu og þriggja
ára vann Ruska að þróun rafeindasmásjár
í sérverkefni (Studienarbeit) við Tæknihá-
skólann í Berlín. Hann sýndi fram á, að
rafspólu án kjama mátti nota til þess að
framkalla „rafeindamynd" af vel skilgreind-
um hlut. Brennivídd og stækkun mátti
mæla nákvæmlega og spólan hegðaði sér á
nær allan hátt eins og sjóngler í ljósfræði.
Athuganir Ruska voru sprottnar af þekking-
arleit og ekki síður þeirri staðreynd, að
menn gerðu sér grein fyrir að smásjár, sem
byggðu á notkun sýnilegs ljóss, voru tak-
markaðar m.a. vegna bylgjulengdar ljóssins.
Eðlisfræðingar litu til annarra miðla en
ljóssins í leit sinni að aðferðum til smásærr-
ar greiningar.
Eftir að Ruska hafði lokið fyrrihlutaprófí
blasti við honum atvinnuleysi; Þýskaland
upplifði lognið á undan stormi fjórða áratug-
arins og fjölmargir háskólar skáru niður
umsvif sín og fækkuðu starfsfólki. Ruska
sýndi mikla einurð og ákveðni þegar hann
fékk leyfí til að halda áfram tilraunum við
tækniháskólann án þess að hljóta laun fyrir
og algjörleg á eigin spýtur. Hann spurði
sjálfan sig, hvort rafeindamyndina, sem
spólan framkallaði, mætti stækka með því
t.d. að nota aðra spólu og varpa myndinni
á flúrskjá. Eftir þrotlausa vinnu þann 7.
apríl 1931 var ljósmynduð hin fyrsta „raf-
eindamynd" þá aðeins stækkuð um sextán-
falt.
Samfélag vísindamanna var einhvem
veginn tregt til að viðurkenna að fullu þessa
uppgötvun, enda mátti segja að tilraunimar
hafí verið á undan fræðilegum útleiðslum
og athugunum. Menn hafa spurt sig þeirrar
spumingar, hvers vegna Ruska þurfti að
bíða í hálfa öld eftir Nóbelsverðlaununum.
Svarið við því er ekki einfalt en snertir
Fyrsta smugsjár-
myndin af kísilyfir-
borði (svokaUað
7x7,Si(Ul).Efri
myndin er útskrift
tækisins; neðri
myndin hefur vcrið
tölvumeðhöndluð
ogsýnir enn betur
atómbygginguna.
Ernst Ruska.
Heinrich Rohrer til vinstri og Gerd
Binnig.
líklega þá staðreynd, að hér var á ferðinni
uppgötvun, sem ekki varð auðveldlega skýrð
með mannlegu innsæi.
Árið 1932 hélt Ruska áfram tilraunum
sínum og hafði nú fengið leyfí til að vinna
að doktorsverkefni(I) sem fjallaði um frek-
ari þróun rafeindasmásjár, sem skara skyldi
fram úr venjulegum ljóssmásjám, hvað varð-
ar stækkun og upplausn. Þróun þessarar
smásjár varð fyrirmynd næstu kynslóða af
rafeindasmásjám. Ruska náði um tólf þús-
undfaldri stækkun í spólukerfí sínu.
Meginbreytingin frá fyrstu gerð var sú að
notaðar vom svokallaðar Jámkjamalinsur",
sem Ruska og félagi hans höfðu fengið
einkaleyfí fyrir árið 1932. Ifyrsta smásjár-
myndin, sem tekin var í hinni fullkomnu
rafeindasmásjá, var af bómullartreijum sem
stækkaðar vom um 8.000 sinnum og höfðu
upplausn sem nam um 50 milljarðahlutum
úr metra.
Þróun rafeindasmásjárinnar fór fram
næstum samtfmis því að skammtafræðin,
hin byltingarkennda grein nútímaeðlisfræði,
var í mótun. Skammtafræðin viðurkenndi
ákveðið tvíeðli náttúmnnar, sem venjulega
er kennt við bylgju-agna-hugtakið. Með
skammtafræðinni var unnt að líta á rafeind-
ir jöfnum höndum sem bylgjur og agnir.
Að skima hluti með rafeindum í rafeind-
asmásjá Ruska krafðist þess að rafeindimar
hegðuðu sér eins og bylgjur. í dag er byglju-
hugtak skammtafræðinnar kennsluefni
unglinga í menntaskólum og eitt mikilvæg-
asta tæki nútímaeðlisfræði.
Rafeindasmásjár eins og þær gerast full-
komnastar í dag em einhver notadrýgstu
rannsóknartæki vísindanna. Þær koma við
sögu í nær öllum greinum tilraunavísinda
og em afar fullkomnar.
FVá Ruska til Binnigs og Rohrer er
hálfrar aldar þróun. Uppgötvanir þeirra
Binnigs og Rohrers, sem deildu Nóbelsverð-
laununum með Ruska, em engu síður
mikilvægar. Hins vegar minnir sögusvið
þeirra, nútíminn, harla lítt á umhverfí það
sem áður er lýst. Binnig, sem fæddist í
Þýskalandi árið 1947, hóf störf hjá Rann-
sóknastofnun IBM í Zurich árið 1978.
Rohrer er fæddur í Sviss árið 1933 og hef-
ur starfíð hjá IBM í nær aldarfjórðung.
Báðir em þéttefnisfræðingar og hafa eink-
um fengist við eðlisfræði ofurleiðninnar.
Tölvustórfyrirtækið IBM hefur lagt mikið
kapp á gmndvallarrannsóknir. Rannsóknar-
stofúr þess njóta mikillar virðingar og em
einkar vel búnar tækjum.
Forsaga uppgötvunnar þeirra Binnigs og
Rohrers hófst með vinnu National Bureau
of Standards í New York snemma á áttunda
áratugnum. Russel Young og starfshópur
hans unnu þá að smíði sérstakrar gerðar
rafeindasmásjár, sem krafðist gífurlegrar
tæknikunnáttu vegna áhrifa titrings frá
umhverfínu. Tækið, sem þróa átti, byggðist
á því að nál (t.d. úr málminum tungsten)
var látin ferðast án snertingar í örlítilli fjar-
lægð frá jrfirborði efnis sem skoða átti.
I Sviss hófu þeir Binnig og Rohrer tilraun-
ir með smíði svipaðs tækis en út frá nokkuð
öðmm forsendum. Skammtafræðin gerir ráð
fyrir því, að ef endi nálarinnar væri aðeins
um eitt atóm að breidd og hægt yrði að lta
hann staðnæmast í aðeins nokkurra tóma
fjarlægð frá yfírborði þess, sem skoða á,
kæmu fram sérleg hrif sem kölluð em smug.
Smug felur í sér, að rafeindir geta „smog-
ið“ yfír örmjótt gap milli tveggja hluta,
jafnvel þótt þær hafí ekki næga orku til að
brjóta sig úr viðjum yfírborðsins samkvæmt
kenningum sígildrar eðlisfræði. Straumur
rafeinda, sem smjúga milli málmhluta, er
sterklega háður fjarlægðinni milli skaut-
anna. Þannig getur straumstyrkurinn orðið
nákvæmur mælikvarði á ijarlægðina.
Fyrsta opinbera yfírlýsingin um vel
heppnað „smug" í tæki þeirra Binnigs og
Rohrers var birt 1981. Hin nær óyfírstígan-
legu vandamál titrings nálarinnar við
yfírborðið vom leyst með beitingu ofurleið-
aratækni: Með því að festa nálina við litla
jámsegla, sem látnir vom „fljóta" á ofurleið-
ara, fékkst fram réttur „púði“ til þess að
dempa titringinn.
Mikilar vonir em bundnar við smugsjána
og hún hefur þegar leyst margar gátur um
innri gerð efnisins. Þannig hafa fengist
myndir af einstaka atómi í yfírborði efna,
af efnahvörfum við yfírborð og af DNA-
sameindinni, svo eitthvað sé nefnt. Upp-
lausnarhæfni smugsjárinnar er allt að einum
á móti hundrað milljörðum úr metra. Nú
er unnið að því að sambyggja smugsjá og
ákveðnar gerðir rafeindasmásjáa til þess að
mynda enn öflugri smásjá en áður hefur
þekkst.
Það fer ekki milli mála að bakgmnnur
Nóbelsverðlaunanna er óvenjulega marg-
brotin og hvetjandi saga eðlisfræði okkar
aldar. Hinir ötulu vísindamenn, sem í hlut
eiga, hafa fært þekkinguna á náttúmnni
að yztu sjónarrönd, þar sem ný lönd bíða
könnunar.
Höfundurinn er doktor í eölisfræöi.
Heimildin
Ruaka E. 1980 „The Early Development of Ele-
ctron Lenses and Electron Microscopy",
Hirzel, Stuttgart 1980.
Mulvey T. „Designing electron microscopes",
Phys. Bull. 38, 1987.
Binnig G., Rohrer H., Gerber C. og Weibel E.
„Surface studies by scanning tunneling
microscopy", Phys. Rev. Lett. 49, 1982.
Baratoff a. „Europhysics News“, 11/12, 1986.