Добавить в корзинуПозвонить
Найти в Дзене
Discovery Club
465 подписчиков

Атомы нельзя увидеть: как туннельный ток в зазоре 0,5 нанометра превратил иглу в глаз и позволил двигать атомы руками

61
7 мин
В марте 1981 года в лаборатории IBM в Цюрихе физик Герд Бинниг смотрел на экран, где начинали проступать атомные детали на поверхности монокристаллического золота. Это была не просто очередная математическая модель - впервые в истории исследователи получили изображения атомной структуры плоской поверхности в реальном пространстве (в отличие от электронной микроскопии, требовавшей особых условий, или полевой ионной микроскопии, дававшей лишь проекцию острия). Правда, этот "снимок" был не фотографией, а сложной реконструкцией, но масштаб прорыва от этого не становится меньше. И всё благодаря игле, остриё которой фактически взаимодействовало с поверхностью через один доминирующий атом, и квантовому эффекту, который долгое время считался скорее объектом фундаментальной физики, чем основой для нового типа микроскопа. В классической физике электрон не может преодолеть барьер, если его энергии недостаточно. Он просто отскакивает. Но в квантовой механике у электрона есть волновая природа - он
Оглавление

В марте 1981 года в лаборатории IBM в Цюрихе физик Герд Бинниг смотрел на экран, где начинали проступать атомные детали на поверхности монокристаллического золота. Это была не просто очередная математическая модель - впервые в истории исследователи получили изображения атомной структуры плоской поверхности в реальном пространстве (в отличие от электронной микроскопии, требовавшей особых условий, или полевой ионной микроскопии, дававшей лишь проекцию острия). Правда, этот "снимок" был не фотографией, а сложной реконструкцией, но масштаб прорыва от этого не становится меньше. И всё благодаря игле, остриё которой фактически взаимодействовало с поверхностью через один доминирующий атом, и квантовому эффекту, который долгое время считался скорее объектом фундаментальной физики, чем основой для нового типа микроскопа.

Микроскоп, работающий на квантовом эффекте, смог показать то, что веками оставалось невидимым, и теперь атомы на поверхности твёрдого тела предстают не как абстракция, а как различимые детали рельефа.
Микроскоп, работающий на квантовом эффекте, смог показать то, что веками оставалось невидимым, и теперь атомы на поверхности твёрдого тела предстают не как абстракция, а как различимые детали рельефа.
Микроскоп, работающий на квантовом эффекте, смог показать то, что веками оставалось невидимым, и теперь атомы на поверхности твёрдого тела предстают не как абстракция, а как различимые детали рельефа.
Микроскоп, работающий на квантовом эффекте, смог показать то, что веками оставалось невидимым, и теперь атомы на поверхности твёрдого тела предстают не как абстракция, а как различимые детали рельефа.

Квантовый эффект: как электрон проходит сквозь барьер

В классической физике электрон не может преодолеть барьер, если его энергии недостаточно. Он просто отскакивает. Но в квантовой механике у электрона есть волновая природа - он описывается волновой функцией, которая распределена в пространстве. Существует ненулевая вероятность, что он окажется по другую сторону барьера - это и есть квантовое туннелирование.

В сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) роль барьера играет вакуумный зазор между остриём иглы и поверхностью образца - как правило, порядка 0,5–1 нанометра (в зависимости от работы выхода материала). При подаче небольшого напряжения электроны начинают туннелировать через этот зазор, возникает так называемый туннельный ток. Величина тока зависит от расстояния между иглой и поверхностью экспоненциально. Изменение зазора всего на 0,1 нанометра обычно меняет ток в несколько и даже десятки раз. Именно эта экспоненциальная зависимость - сверхчувствительность к расстоянию - превратила квантовый эффект в инженерный инструмент. Микроскоп становится сверхчувствительным "щупом", способным ощущать каждый атом на поверхности.

Игла движется над образцом, словно топограф, прощупывающий рельеф, - только вместо механического контакта она регистрирует электрический отклик. Компьютер строит карту рельефа и электронной структуры поверхности с атомным разрешением.

Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.
Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.
Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.
Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.
Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.
Классическая частица перед таким препятствием просто повернула бы назад, а квантовая природа электрона допускает его появление по другую сторону, и эта особенность легла в основу микроскопа нового типа.

Немой вызов: почему атомы нельзя было увидеть

К концу 1970-х годов физики, изучавшие поверхности твёрдых тел, оказались в странном положении. Они знали, что атомы существуют, - это подтверждали косвенные эксперименты и математические модели. Но увидеть их, разглядеть, как они расположены, как взаимодействуют друг с другом, - это оставалось за гранью возможного.

Оптические микроскопы упирались в фундаментальный предел: длина волны видимого света в тысячи раз больше размера атома. Электронные микроскопы уже позволяли получать изображения с атомным разрешением в некоторых специальных случаях, однако они не давали столь прямой картины расположения атомов на поверхности твёрдого тела, как будущий СТМ. Полевая ионная микроскопия, изобретённая Эрвином Мюллером в 1951 году, позволяла видеть атомы, но только на острие иглы и в виде проекции - изображение было искажено геометрией самого острия. СТМ же впервые сделал возможным изучение атомной структуры плоских поверхностей в реальном пространстве.

В цюрихской лаборатории IBM двое физиков - немец Герд Бинниг и швейцарец Генрих Рорер - всё чаще возвращались к этой проблеме. Они изучали сверхпроводники и изоляторы, но их всё сильнее привлекала физика поверхностей. Как проверить гипотезы о поведении атомов на поверхности, если их нельзя увидеть?

В январе 1979 года Бинниг и Рорер подали патентную заявку на устройство, которое тогда казалось почти фантастическим. Они предложили использовать не свет и не линзы, а квантовый эффект туннелирования. Между заявкой и работающим прибором лежали 27 месяцев упорного труда - борьба с вибрациями, тепловым дрейфом и поиск идеальной геометрии иглы.

К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.
К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.
К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.
К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.
К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.
К концу семидесятых годов исследователи знали, что атомы существуют, но прямое наблюдение их расположения на поверхности оставалось за гранью возможностей, и это подталкивало к поиску принципиально иного подхода.

Первый взгляд: вечер, изменивший науку

Поздним вечером 16 марта 1981 года Бинниг, Рорер и их коллеги Кристоф Гербер и Эди Вайбель собрались вокруг экспериментальной установки. Они включили прибор. Игла начала сканировать поверхность золотого кристалла. На экране монитора начали проявляться атомные детали поверхности - учёные увидели широкие террасы, разделённые ступеньками высотой в один атом. Впервые исследователи получили изображение поверхности твёрдого тела с атомным разрешением в реальном пространстве.

"Я не мог оторваться от изображений, - вспоминал позже Бинниг. - Это было вхождением в новый мир".

Первые статьи о новом методе появились в 1982 году. В феврале была опубликована работа о контролируемом вакуумном туннелировании, а летом - знаменитая статья "Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy" в Physical Review Letters, продемонстрировавшая возможности нового микроскопа. Поначалу научное сообщество отнеслось к открытию настороженно - слишком необычным был подход. Но когда в 1983 году с помощью СТМ удалось получить изображение знаменитой реконструкции поверхности Si(111)-7×7 в реальном пространстве, что убедительно подтвердило возможности нового метода, сомнения рассеялись.

В 1986 году, всего через пять лет после первого эксперимента, Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию по физике (разделив её с Эрнстом Руской - пионером электронной микроскопии). Столь короткий срок - один из самых быстрых в истории Нобелевской премии по физике - стал свидетельством того, насколько быстро научное сообщество оценило значение открытия. Нобелевский комитет признал: СТМ открыл "совершенно новые поля для изучения структуры материи".

Изображение, которое строит сканирующий микроскоп, основано не на прямом зрительном контакте с атомами, а на точном расчёте по измеренному туннельному току, и опытный исследователь различает, где рельеф, а где вклад электронной структуры.
Изображение, которое строит сканирующий микроскоп, основано не на прямом зрительном контакте с атомами, а на точном расчёте по измеренному туннельному току, и опытный исследователь различает, где рельеф, а где вклад электронной структуры.
Изображение, которое строит сканирующий микроскоп, основано не на прямом зрительном контакте с атомами, а на точном расчёте по измеренному туннельному току, и опытный исследователь различает, где рельеф, а где вклад электронной структуры.
Изображение, которое строит сканирующий микроскоп, основано не на прямом зрительном контакте с атомами, а на точном расчёте по измеренному туннельному току, и опытный исследователь различает, где рельеф, а где вклад электронной структуры.

Где кончается измерение и начинается интерпретация

В СТМ нет объектива и нет "снимка" в привычном смысле. Изображение - это не фотография, а математическая реконструкция. Процессор не выдумывает атомы - он берёт измеренный ток вдоль траектории иглы и по известной квантово-механической зависимости пересчитывает его в карту поверхности.

Но есть место, где интерпретация действительно нужна.

Природа контраста. Иногда яркость точки связана не с высотой, а с электронной структурой - плотностью состояний в этой точке. То, что выглядит как "выступ", может быть участком с повышенной плотностью электронов. Чтобы разобраться, учёные делают туннельную спектроскопию: меняют напряжение и смотрят, как меняется ток.

Влияние иглы. Кончик иглы не идеален, и изображение всегда немного искажено его формой. Опытный исследователь учитывает это, сравнивая изображения при разных напряжениях или готовя иглу контролируемо.

Адсорбаты и динамика. На поверхности часто сидят молекулы из остаточного газа - они могут "ехать" за иглой или исчезать под её воздействием. Исследователь отличает такие эффекты по характеру движения.

Но эти интерпретации опираются не на "додумывание", а на проверяемые следствия: измени параметр - и картина должна измениться предсказуемым образом. Это и есть научный метод в действии.

От созерцания к действию: атомы как конструктор

СТМ оказался способен на большее, чем просто показывать атомы. Игла может не только сканировать поверхность, но и перемещать отдельные атомы.

В ноябре 1989 года исследователи IBM Дон Эйглер и Эрхард Швейцер с помощью СТМ взяли 35 атомов ксенона и выложили их на охлаждённой никелевой поверхности. Получился логотип "IBM" высотой около 5 нанометров. Это была первая в истории контролируемая манипуляция отдельными атомами.

А ещё СТМ позволяет видеть квантовые явления напрямую. В 1993 году исследователи IBM - Михаэль Кромми, Чарльз Лутц и Дон Эйглер - выложили из атомов железа на поверхности меди "квантовый загон" - круг диаметром 14,3 нанометра из 48 атомов. Внутри круга на СТМ-изображении видны круговые волны - это стоячие волны электронной плотности, существование которых предсказывает уравнение Шрёдингера. Квантовая механика стала видимой.

В 1989 году исследователи впервые контролируемо переместили отдельные атомы ксенона и выложили из них символ компании, показав, что микроскоп способен не только наблюдать, но и манипулировать веществом на атомном уровне.
В 1989 году исследователи впервые контролируемо переместили отдельные атомы ксенона и выложили из них символ компании, показав, что микроскоп способен не только наблюдать, но и манипулировать веществом на атомном уровне.

Что изменил СТМ

Сегодня сканирующий туннельный микроскоп стал одним из ключевых инструментов физики поверхности и материаловедения. Он позволил исследовать реконструкцию кристаллических поверхностей, наблюдать адсорбцию отдельных молекул, изучать электронные свойства материалов и даже манипулировать отдельными атомами, открыв путь современной нанотехнологии. СТМ также нашёл ограниченное применение в исследованиях отдельных молекул и биомолекул (включая ДНК) при условии их нанесения на проводящую подложку, хотя для рутинной работы с биологическими объектами чаще используют другие виды зондовой микроскопии.

А главное - он стал первым инструментом, приблизившим к идеям, высказанным Ричардом Фейнманом в знаменитой лекции 1959 года: возможность "манипулировать отдельными атомами" перестала быть футурологией.

Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.
Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.
Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.
Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.
Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.
Выложенный из атомов железа круг позволил воочию увидеть стоячие волны электронной плотности, и квантовая механика, прежде знакомая лишь по уравнениям, стала видимой в прямом смысле.

Иногда, чтобы увидеть невидимое, не нужно улучшать старые инструменты. Достаточно взглянуть на проблему иначе - не через линзу, а через иглу, не через свет, а через квантовый эффект. Бинниг и Рорер показали, что квантовая механика - это не только абстрактные уравнения, но и инженерный инструмент, способный изменить мир. Сегодня, когда мы говорим о нанотехнологиях, мы во многом обязаны их прозрению. Атомы больше не абстракция - они рабочий материал. И всё началось с простой идеи: взять иглу, поднести её к поверхности и зафиксировать сигнал, который несут туннелирующие электроны. Иногда самый простой подход оказывается самым революционным. И в этом заключается главный урок этого изобретения.

4
Гаджеты и электроника
5,73 млн интересуются