Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Отдельные атомы
Отдельный свободный атом - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Отдельный свободный атом
Cтраница 1
Потенциал ионизации отдельного свободного атома колеблется в пределах 3 9 ( цезий) - 24 5 ( гелий) эв. Эти данные относятся к первичной однократной ионизации, приводящей к отрыву одного электрона, слабее всего связанного с ядром атома. Отрыв следующего электрона требует энергии в десятки и сотни электронвольт. Полная многократная ионизация атома с отрывом всех его электронов может требовать тысяч электронвольт и в тех процессах, которые мы будем рассматривать, никогда не встречается. Отрыв электрона от атома, входящего в состав молекулы, требует несколько больше энергии, чем отрыв его от свободного атома. [1]
Очень немногие элементы встречаются в природе в виде отдельных, свободных атомов одного сорта. Атомы большинства элементов взаимодействуют друг с другом или с атомами других элементов. Иначе говоря, атомы большинства элементов становятся более устойчивыми при образовании химических связей с другими атомами. Немногие элементы, атомы которых удерживаются от соединения с другими атомами, представляют собой исключение и привлекают наше внимание именно потому, что их поведение позволяет понять, чем обусловлена реакционная способность большинства химических элементов. [2]
Что же происходит с энергетическими уровнями ( или соответствующими им частотами) отдельных свободных атомов, из которых построен кристалл. Это явление можно схематически проиллюстрировать с помощью следующей механической аналогии. [3]
Согласно современным представлениям в металлическом кристалле электроны ведут себя не так, как в отдельных, свободных атомах, например в атомах паров металла. В последнем случае электроны могут располагаться в каждом атоме лишь на ограниченном числе энергетических уровней. В кристалле же эти энергетические уровни для валентных электронов расширяются вследствие объединения одинаковых уровней всех отдельных атомов данного кристалла. Такие объединения называются электронными зонами, или полосами. Электроны, принимающие участие в химической связи ( валентные), располагаются в отдельной зоне, называемой валентной. Выше располагается свободная от электронов энергетическая зона, или зона проводимости. В металлах при наложении разности электрических потенциалов электроны легко переходят из нижней валентной зоны в верхнюю свободную зону проводимости. Именно поэтому металлы являются хорошими проводниками электричества. [4]
Рассмотренные факты с убедительностью говорят о том, что по мере увеличения числа связанных друг с другом атомов лития наблюдаются качественные скачки в типе химической связи. В отдельном свободном атоме лития мы наблюдаем электроны на атомных орбиталах с характерными для них энергетическими уровнями. [6]
Мне кажется, что при изучении свойств и строения твердых тел важны и анатомия и дипломатия атомов. Нужно понимать, что происходит с электронами, которыми обладают отдельные свободные атомы, и непременно рассматривать кристалл как единое целое. Сложная, но и очень интересная наука - строение материи. [7]
Рассмотрим роль тех примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в решетке полупроводника на таких больших расстояниях друг от друга, что они не взаимодействуют, л потому энергетические уровни их почти такие же, как в отдельном свободном атоме. Вероятность непосредственного перехода электронов с одного примесного атома на другой ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. [8]
Рассмотрим роль тех примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в решетке полупроводника на таких больших расстояниях друг от друга, что они не взаимодействуют, а потому энергетические уровни их почти такие же, как в отдельном свободном атоме. Вероятность непосредственного перехода электронов с одного примесного атома на другой ничтожно мала. Однако примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. [9]
Рассмотрим роль тех примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в решетке полупроводника на таких больших расстояниях друг от друга, что они не взаимодействуют между собой, а потому энергетические уровни их почти такие же, как в отдельном свободном атоме. [10]
Формула ( П-5) определяет время, в течение которого заканчивается процесс термического разложения определенного числа молекул СН4 и устанавливается равновесная концентрация в газовом объеме ядер-зародышей сажевых частиц. Именно в течение этого времени происходит формирование того или иного дисперсного состава сажевых частиц, характеризующееся определенным распределением числа атомов углерода в различных многоуглеродных комплексах. В качестве частицы минимального размера может при этом рассматриваться отдельный свободный атом углерода, в качестве частицы максимального размера - устойчивый многоуглеродный комплекс, состоящий из максимально возможного числа атомов углерода, при котором энергия связи атомов в комплексе превосходит энергию их свободных колебаний при заданной температуре. [11]
Потенциал ионизации отдельного свободного атома колеблется в пределах 3 9 ( цезий) - 24 5 ( гелий) эв. Эти данные относятся к первичной однократной ионизации, приводящей к отрыву одного электрона, слабее всего связанного с ядром атома. Отрыв следующего электрона требует энергии в десятки и сотни электронвольт. Полная многократная ионизация атома с отрывом всех его электронов может требовать тысяч электронвольт и в тех процессах, которые мы будем рассматривать, никогда не встречается. Отрыв электрона от атома, входящего в состав молекулы, требует несколько больше энергии, чем отрыв его от свободного атома. Электрон может быть вырван не только из отдельного атома, но и из плотного их скопления в форме конденсированной фазы - твердых и жидких веществ. Для этого нужно затратить работу выхода UB, которая примерно в 2 раза меньше потенциала ионизации, характеризующего вырывание электрона из отдельного свободного атома. [12]
Страницы: 1
www.ngpedia.ru
Отдельный атом - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Отдельный атом
Cтраница 3
Попадание отдельных атомов в одну и ту же ячейку является вероятностным независимым событием. [32]
Замещением отдельных атомов Н на дейтерий достигают упрощения ПМР-спектров. [33]
Соединение отдельных атомов в молекулы также является вторичным процессом. [34]
Электрон отдельного атома лития находится одновременно вблизи восьми ядер и имеет достаточную свободу движения по незанятым орбиталям вокруг собственного ядра. В таких условиях электрон может легко передвигаться с одного места на другое. [36]
Внедрение отдельных атомов среды ( азота, кислорода, водорода и др.) в кристаллическую решетку обрабатываемого металла приводит к упрочнению последнего и переходу его в хрупкое состояние, при этом уменьшаются предельная пластическая деформация перед разрушением и удельная работа резания. [37]
Между отдельными атомами кристаллической решетки существуют электронные связи, образованные внешними ( валентными) электронами, которые становятся как бы общими для двух соседних атомов. Орбиты этих электронов охватывают ядра соседних атомов, обеспечивая прочность кристаллической решетки. [38]
Далее, отдельный атом С, входя в молекулярную углеродную цепь, может на связь с одним соседним атомом С затрачивать не одну валентность, а две С-СС и три С-СС. [39]
Если на отдельный атом или молекулу действует электрическое поле, распределение электронов и геометрия молекулы искажаются. Поляризуемость показывает, насколько легко происходит такое искажение. Атомной поляризуемостью называется вклад геометрического искажения молекулы в ее полную поляризуемость. Он обычно значительно меньше, чем вклад электронной поляризуемости, вызываемой смещением электронов. Есть третья составляющая поляризуемости объемного образца - это ориентационная поляризация. Она наблюдается у тех молекул, у которых имеется постоянный дипольный момент. В этом случае внешнее поле поворачивает молекулу, и весь образец приобретает суммарную поляризацию. Молекулы ориентируются вдоль поля не полностью, так как тепловое движение разупорядочивает их выстраивание в образце. Этот вклад имеет механическое происхождение и не будет интересовать нас в дальнейшем, хотя он играет важную роль в полной поляризуемости. [40]
Серы на отдельные атомы происходит лишь при температуре выше 1700 С. [41]
Заставить колебаться отдельный атом ( или выделенный элемент объема тела) практически невозможно. [42]
Так как отдельные атомы взаимодействуют с модами лазера по-разному, мы должны рассматривать атомы индивидуально. Для простоты вновь рассмотрим двухуровневую схему, оставив распространение решения на случай трехуровневой системы в качестве упражнения. [43]
Реакция возбуждает отдельные атомы, а передача энергии приводит к тому, что возбужденные атомы или молекулы распределяются по всевозможным стационарным состояниям. Обычно возбужденные атомы и молекулы высвечиваются за время порядка 10 - 8 сек. Таким образом, наличие равновесия или его отсутствие зависит от того, как много эффективных столкновений осуществляется за этот промежуток времени. [44]
Если взять отдельный атом, то движение электронов в нем происходит таким образом, что их энергия может принимать лишь вполне определенные значения, иными словами, атом характеризуется определенным дискретным энергетическим спектром. [45]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Двигать отдельные атомы
Физика будущего
Ричард Фейнман мечтал о дне, когда физик сможет построить любую молекулу, собрав ее по «чертежу», атом за атомом. Тогда, в 1959 г., это казалось невозможным, но сегодня эта мечта в какой-то мере стала реальностью.
У меня была возможность наблюдать все это вблизи во время посещения Альмаденского исследовательского центра IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния. Я приехал туда посмотреть на замечательный инструмент — сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий ученым увидеть отдельные атомы и даже воздействовать на них. Это устройство изобрели Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер из IBM, за что в 1986 г. им была присуждена Нобелевская премия. (Помню, когда я учился в школе, учитель говорил нам, что мы никогда не сможем увидеть атомы. Он слишком малы для этого, говорил он. К тому моменту я уже твердо решил стать ученым-атомщиком. Я понимал, что собираюсь посвятить жизнь изучению того, что никогда не увижу собственными глазами. Но сегодня мы можем не просто увидеть атомы, но даже поиграть с ними при помощи атомного пинцета.)
На самом деле сканирующий туннельный микроскоп — вовсе не микроскоп. Скорее он чем-то напоминает старинный фонограф. Тонкая игла (с кончиком, который должен заканчиваться одним атомом в вершине пирамидки) медленно проносится над поверхностью анализируемого материала. С иглы через изучаемый образец на базу инструмента проходит слабый ток. Всякий раз, когда атом на кончике иглы проходит над атомом образца, величина электрического тока слегка меняется. После нескольких проходов машина распечатывает поразительную вещь — очертания самого атома. При помощи точно такой же иглы микроскоп может не только регистрировать атомы, но и двигать их. Таким образом можно составить из атомов на образце буквы — IBM — и даже соорудить примитивную машину из атомов.
(Еще одно недавнее изобретение — атомно-силовой микроскоп, способный дать поразительное трехмерное изображение атомной решетки. В атомно-силовом микроскопе также используется игла с очень тонким кончиком, но на кончик этот направляют луч лазера. Проходя над поверхностью изучаемого образца, игла дрожит от взаимодействия с атомами вещества, и это движение регистрируется оптическим датчиком на основе лазерного луча.)
Я обнаружил, что передвигать отдельные атомы совсем не сложно. Я сидел перед экраном компьютера и видел на нем поверхность, состоящую из белых сфер по 2–3 см в поперечнике, напоминающих мячик для пинг-понга. На самом деле каждый шарик на экране обозначал отдельный атом на поверхности образца. Я поместил курсор на один из атомов и перетащил его мышкой на другое место. Затем я нажал кнопку, которая запускает новое сканирование. Микроскоп проделал требуемую операцию. Картинка на экране изменилась, демонстрируя мне, что один из белых шариков передвинулся ровно в ту точку, которую я указал.
Процесс перестановки одного атома в любую указанную точку занимал всего одну минуту. Через полчаса я увидел, что составленные мной из атомов буквы уже можно прочесть на экране. Через час я научился составлять довольно сложные узоры примерно из десяти атомов.
Сознание того, что я собственными руками практически двигаю отдельные атомы — т. е. делаю то, что когда-то считалось абсолютно невозможным, — стало для меня настоящим потрясением.
Следующие несколько месяцев
Следующие несколько месяцев полны для вас с Карен чудесных сюрпризов. Вы с ней идете в салон виртуальной реальности и развлекаетесь там, как дети, проживая целую жизнь, глупую и невероятную. Вы …
Свидание
Всю неделю вы думаете о будущем свидании и, откровенно говоря, ждете его с нетерпением. Готовясь к встрече с Карен, вы вновь ощущаете себя школьником — даже удивительно, ведь ничего особенного …
Опять дома
День выдался ужасно долгим — сначала пришлось организовывать ремонтную бригаду из дистанционно управляемых роботов, затем отключать всех экспериментальных роботов, в которых установлены квантовые компьютеры, — по крайней мере до тех …
msd.com.ua
Двигать отдельные атомы | Itera вики
Ричард Фейнман мечтал о дне, когда физик сможет построить любую молекулу, собрав ее по «чертежу», атом за атомом. Тогда, в 1959 г., это казалось невозможным, но сегодня эта мечта в какой-то мере стала реальностью.
У меня была возможность наблюдать все это вблизи во время посещения Альмаденского исследовательского центра IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния. Я приехал туда посмотреть на замечательный инструмент — сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий ученым увидеть отдельные атомы и даже воздействовать на них. Это устройство изобрели Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер из IBM, за что в 1986 г. им была присуждена Нобелевская премия. (Помню, когда я учился в школе, учитель говорил нам, что мы никогда не сможем увидеть атомы. Он слишком малы для этого, говорил он. К тому моменту я уже твердо решил стать ученым-атомщиком. Я понимал, что собираюсь посвятить жизнь изучению того, что никогда не увижу собственными глазами. Но сегодня мы можем не просто увидеть атомы, но даже поиграть с ними при помощи атомного пинцета.)
На самом деле сканирующий туннельный микроскоп — вовсе не микроскоп. Скорее он чем-то напоминает старинный фонограф. Тонкая игла (с кончиком, который должен заканчиваться одним атомом в вершине пирамидки) медленно проносится над поверхностью анализируемого материала. С иглы через изучаемый образец на базу инструмента проходит слабый ток. Всякий раз, когда атом на кончике иглы проходит над атомом образца, величина электрического тока слегка меняется. После нескольких проходов машина распечатывает поразительную вещь — очертания самого атома. При помощи точно такой же иглы микроскоп может не только регистрировать атомы, но и двигать их. Таким образом можно составить из атомов на образце буквы — IBM — и даже соорудить примитивную машину из атомов.
(Еще одно недавнее изобретение — атомно-силовой микроскоп, способный дать поразительное трехмерное изображение атомной решетки. В атомно-силовом микроскопе также используется игла с очень тонким кончиком, но на кончик этот направляют луч лазера. Проходя над поверхностью изучаемого образца, игла дрожит от взаимодействия с атомами вещества, и это движение регистрируется оптическим датчиком на основе лазерного луча.)
Я обнаружил, что передвигать отдельные атомы совсем не сложно. Я сидел перед экраном компьютера и видел на нем поверхность, состоящую из белых сфер по 2–3 см в поперечнике, напоминающих мячик для пинг-понга. На самом деле каждый шарик на экране обозначал отдельный атом на поверхности образца. Я поместил курсор на один из атомов и перетащил его мышкой на другое место. Затем я нажал кнопку, которая запускает новое сканирование. Микроскоп проделал требуемую операцию. Картинка на экране изменилась, демонстрируя мне, что один из белых шариков передвинулся ровно в ту точку, которую я указал.
Процесс перестановки одного атома в любую указанную точку занимал всего одну минуту. Через полчаса я увидел, что составленные мной из атомов буквы уже можно прочесть на экране. Через час я научился составлять довольно сложные узоры примерно из десяти атомов.
Сознание того, что я собственными руками практически двигаю отдельные атомы — т. е. делаю то, что когда-то считалось абсолютно невозможным, — стало для меня настоящим потрясением.
ru.itera.wikia.com
Ученые впервые соединили в молекулу отдельные атомы
Чтобы заставить вещества вступать друг с другом в химические реакции, реагенты смешивают; отдельные атомы и молекулы, сближаясь, разрывают старые и (или) образуют новые химические связи. Реакция в смеси проходит благодаря множеству случайностей. Даже если это происходит в лаборатории, в строго определенных условиях, ученые не контролируют взаимодействие отдельных атомов и молекул, пишет Хроника.инфо со ссылкой на Телеграф.
В новом эксперименте специалисты создали связь между двумя атомами, манипулируя ими с помощью лазерного (оптического) пинцета — инструмента, который позволяет с точностью до нескольких нанометров перемещать очень маленькие объекты, в том числе индивидуальные атомы, с помощью быстрых серий лазерных импульсов.
Сначала атомы щелочных металлов, цезия и натрия, охладили до температуры ниже одной десятитысячной градуса, а затем начали толкать их лазерными лучами навстречу друг другу до тех пор, пока лучи не наслоились один на другой. Пульс третьего лазера сообщил обоим атомам энергию, необходимую для образования химической связи; в результате образовалась молекула NaCs. Статья об эксперименте опубликована 12 апреля в журнале Science.
Такие контролируемые реакции на отдельных атомах и молекулах в будущем позволят ученым изучить физические процессы, ведущие к образованию межатомных связей, а также понять поведение изолированных молекул. Кроме того, с помощью лазерных пинцетов можно будет создавать молекулы с заданными квантовыми свойствами, полагает руководитель исследовательской группы, химик из Гарварда Ни Кан-Куэн (Kang-Kuen Ni). Такие молекулы найдут применение в квантовых компьютерах, где их можно использовать в качестве кубитов, поясняют авторы эксперимента.
Читайте также: Ученые впервые создали молекулы из суператомовРанее российские и французские физики применили лазерный пинцет в манипуляциях с кольцевыми токами в сверхпроводнике: тогда ученые заставили токи (вихри Абрикосова) сложиться в буквы.
Если вы нашли ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter
hronika.info
Отдельный атом - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2
Отдельный атом
Cтраница 2
Обмениваются отдельные атомы, целые группы атомов; распадаются и тут же заново создаются сложнейшие, поистине ажурные структуры клеток. Так, например, каждую секунду кроветворные органы человека производят 80 000 000 эритроцитов. В состоянии равновесия такое же количество эритроцитов и разрушается. [16]
Рассмотрим отдельные атомы какого-либо элемента, осажденного на тонкую подкладку, в высокой степени прозрачную для рентгеновских лучей, например атомы молибдена на бумаге. Допустим, что характеристическую линию ( например, Ка молибдена) возбуждает полихроматический пучок, причем источник рентгеновского излучения и детектор расположены над образцом. Пока число атомов молибдена мало, они не будут заметно ослаблять падающий пучок; кроме того, квант рентгеновского излучения, испущенный одним из атомов молибдена не будет поглощен никаким другим его атомом. [17]
Каждый отдельный атом в любой данный момент может излучить только один фотон с частотой v, однако в исследуемом количестве водорода всегда имеется много атомов, которые излучают фотоны различной частоты, в результате чего получаются наблюдаемые в действительности серии линий. [18]
Поскольку отдельные атомы ц обладают различными скоростями v, это приводит к эффективному уширению линии. По сравнению со случаем лазера на твердом теле возникает важное отличие, так как (4.75) и (4.76) содержат компоненты скоростей v отдельных атомов в направлении распространения световых волн. Когда мы имеем дело со стоячими волнами, лазерная мода состоит из двух волн, бегущих в противоположных направлениях. [20]
Поскольку отдельные атомы, образующие различные молекулы, имеют неточную сферическую форму, поверхность туннелей, клеток и слоев не является гладкой и ровной. [21]
Однако отдельные атомы Н, достигая поверхности платины в этом состоянии, все еще находят места для адсорбции и могут снизить работу выхода тем же путем, как и те атомы Н, которые образуются при диссоциации молекул На на соседних местах. [23]
Рассмотрим отдельный атом со сферически симметричным распределением электронов. Индуцированное движение сообщает отдельному электрону орбитальный момент. В результате взаимодействия с внешним магнитным полем возникает прецессия момента относительно направления внешнего поля с ларморовской частотой [ см. уравнение ( 6) ], совпадающей с частотой электронной циркуляции. Если в многоэлектронной системе взаимодействия между электронами пренебрежимо малы по сравнению с их взаимодействием с приложенным полем, то все электроны обращаются вокруг направления внешнего поля с одной и той же частотой. [24]
Пусть теперь отдельные атомы объединяются в кристалл. [25]
Количество отдельных атомов или: молекул обозначают коэффициентом, который ставят перед символом химического элемента или перед формулой. [26]
Движение отдельных атомов в твердых телах наблюдать невозможно, но, поскольку в них происходит диффузия, должны иметь место относительные перемещения атомов. [27]
Возмущение отдельного атома может также приводить к появлению так называемых экситонных состояний в запрещенной зоне. Валентный электрон атома решетки при этом переходит из основного состояния в возбужденное и становится менее связанным с атомом. При отрыве валентного электрона возникает пара свободных носителей заряда: электрон проводимости и дырка, и поэтому такое возбужденное состояние атома можно рассматривать как связанную пару электрон-дырка. [29]
Соединение отдельных атомов в молекулы также является вторичным процессом. [30]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
На игле
В 1959 году Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции «Там внизу много места» (Plenty of Room at the Bottom) рассказал о фантастической возможности управлять отдельными атомами, чтобы создавать электрические цепи размером всего в несколько сот ангстрем — микроскопические компьютеры, передатчики, и разрабатывать материалы, состоящие из точно подобранных атомарных слоев. Тридцать лет назад предсказания Фейнмана начали сбываться: сегодня ученые работают с графеном и другими двумерными материалами, ощупывают внутренние структуры атомов сверхострыми иглами и даже выстраивают из атомов небольшие конструкции.
Совсем недавно мы рассказали о работе по измерению электроотрицательности у отдельного атома — она в качестве рутинной операции требовала точного контроля над положением атомов. Наш новый материал посвящен ответу на вопрос, как человечество научилось управлять атомами и далеко ли нам до полного воплощения идей Фейнмана.
Прежде чем управлять атомами, их необходимо увидеть. Понятие атома как неделимой частицы, из которой состоит материя, появилось еще в древней Греции в IV веке до нашей эры. Чтобы увидеть эту частицу, потребовалось 24 века. Даже просто экспериментально доказать существование атомов удалось только в XIX веке. На это указали соотношения содержания разных элементов в химических соединениях, а также эксперименты с броуновским движением. Объяснить последние статистически удалось Альберту Эйнштейну в 1905 году — эта работа, наряду с открытием фотоэффекта, была отмечена Нобелевской премией в 1922 году.
Наблюдать атомы очень сложно из-за их чрезвычайно малого размера — порядка одного ангстрема (десятой доли нанометра). Это в тысячи раз меньше длины волны видимого света, а из-за релеевского предела дифракции нельзя сформировать пятно света диаметром меньше половины длины его волны. Это значит, что никакой традиционный оптический микроскоп, каким бы мощным он ни был, не поможет увидеть атомы.
Заметить присутствие атомов удалось лишь в начале XX века с помощью рентгеновского излучения. Главную роль в эксперименте сыграла малая длина волны рентгена — она может быть в разы меньше радиуса атомов. Это сделали Макс фон Лауэ и его коллеги в 1912 году, впервые пропустив пучок рентгеновского излучения сквозь кристалл сульфата меди. Атомы играли роль дифракционной решетки и превратили один пучок в набор ярких пиков на фотопластинке.
Первые «настоящие» изображения атомов связаны с созданием различных версий электронного микроскопа, в частности электронного проектора. Так как электроны — массивные частицы (они обладают массой покоя), их характерная длина волны гораздо меньше, чем у видимого света, а значит, с их помощью можно добиться гораздо более высокого разрешения, чем у оптического микроскопа. Электронный проектор (field emission microscope) позволяет в миллион раз увеличить острие вольфрамовой, молибденовой, платиновой или иридиевой иглы и приблизиться к атомарному разрешению. Интересно, что источником электронов в приборе служит та же игла, вблизи острия которой создается поле напряженностью в несколько миллиардов вольт на метр. Электроны, сорвавшиеся с иглы, попадают на люминесцентный экран — по их характерному распределению можно установить расположение кристаллографических, или атомных, плоскостей в материале иглы. Так в 1936 году человечество приблизилось к атомарному разрешению.
Изображения кончика рениевой иглы, сделанное с помощью полевой ионной микроскопии. Похожим образом выглядели и первые снимки вольфрамовых игл, на которых ученые смогли различить отдельные атомы. Изображение слева — неповрежденная игла, изображение справа — игла после бомбардировки тяжелыми ионами.
Erwin Muller / Science, 1965
Впервые напрямую увидеть атомы удалось почти 20 годами позже, с помощью модифицированного электронного проектора — полевого ионного микроскопа. В нем ученые заменили вакуум разреженной средой с небольшим количеством атомов благородных газов — неона или гелия, которые и формировали изображение атомов. Это происходило следующим образом. Когда атомы газа приближались к положительно заряженному острию вольфрамовой иглы, происходила ионизация. Электрон отрывался от атома газа, и положительно заряженный ион отталкивался от поверхности металла и устремлялся к люминесцентному экрану. Его траектория при этом была строго перпендикулярна поверхности острия иглы. Такая геометрия эксперимента гарантировала естественное увеличение особенностей поверхности иглы в несколько миллионов раз. В 1955 году Эрвин Мюллер и его аспирант Канвар Бахадур впервые различили отдельные атомы вольфрама в подобном эксперименте. Заметим, что через четыре года после этого Фейнман прочитал свою знаменитую лекцию.
Очевидно, что в такой постановке эксперимента говорить об управлении отдельными атомами не приходится — вся система работает на отталкивании ионов от сравнительно неподвижных атомов. Следующим шагом стало создание сканирующей зондовой микроскопии. И здесь снова не обошлось без игл.
Hopkinson, Lutz & Eigler / IBM
Герд Биннинг и его коллеги подошли к проблеме с другого конца — если уже есть микроскопы, способные показать атомы на кончике иглы, то почему не создать микроскоп, в котором сама игла будет показывать отдельные атомы. Идея сканирующего туннельного микроскопа довольно проста: вместо рассеивания частиц (фотонов, электронов или атомов инертных газов) попытаться ощупать поверхность образца напрямую. В этом ученым помог хорошо известный на тот момент туннельный эффект.
Это известное проявление квантовой механики. В классической механике, если у мяча недостаточно кинетической энергии, то он не сможет перепрыгнуть через высокий барьер. Прежде чем перейти к квантовой аналогии, проясним один момент: у заряженной частицы в поле есть потенциальная энергия — точно такая же, как у мяча, находящегося на вершине горы. Эта энергия зависит от потенциала поля в данной точке. Мысленно создадим поле, в котором потенциал будет выглядеть как гора. Тогда электрону, находящемуся у подножия горы, потребуется преобразовать часть своей кинетической энергии в потенциальную, чтобы подняться на ее вершину.
Теперь поместим за горой небольшое углубление. В нем потенциальная энергия электрона будет меньше, чем у того подножия горы, где находится электрон. Оказывается, даже если кинетической энергии электрона недостаточно для того, чтобы взобраться на гору, все равно есть вероятность найти его через некоторое время в этом углублении — практически он проходит сквозь гору. Кстати, на этом эффекте работает квантовый вычислитель компании D-Wave.
У этой схемы есть вполне конкретный реальный аналог. Возьмем две металлические пластинки, между которыми создадим электрическое напряжение. Тогда на одной из них потенциальная энергия электронов будет несколько меньше, чем на другой. Роль горы играет пространство между пластинами — чтобы его пересечь, требуется энергия. Если расстояние между пластинами при этом не слишком велико, то можно зафиксировать туннельный ток. Главная его особенность — очень большая чувствительность к расстоянию между пластинами. Если для тока в обычном проводнике зависимость силы тока от расстояния линейна (сопротивление среды растет линейно с длиной проводника), то здесь зависимость оказывается экспоненциальной. При сближении пластин сила тока очень резко возрастает.
Теперь заменим одну из пластин на иглу и приблизим ее к интересующей нас точке поверхности пластины. Подадим напряжение и измерим электрический ток. Немного сдвинем иглу вбок по горизонтали, совсем чуть-чуть. Если ток возрос, значит, расстояние от иглы до поверхности сократилось. Это может говорить о том, что рядом с нашей первой точкой на поверхности находится небольшой выступ. Или что мы перемещаем иглу под углом к поверхности — это было бы нежелательно. Зная, что туннельный ток сильно зависит от расстояния, мы можем взять наше первое измерение за точку отсчета и построить карту поверхности, очень точно перемещая иглу в горизонтальной плоскости вокруг нее.
Но размер атомов очень мал — одна десятимиллионная доля миллиметра. Обычные механические манипуляторы не помогут нам переместить иглу на расстояние, сопоставимое с этой величиной. Поэтому создание туннельного микроскопа было бы невозможным без пьезоэлектрических моторов. Пьезоэлектрики меняют свои размеры, если подать на них напряжение (и наоборот, создают напряжение, если попытаться их сжать — этот эффект работает в «щелкающих» зажигалках). Эти изменения очень малы и хорошо описаны — поместив пьезоэлектрик под образец и медленно наращивая напряжение на нем, мы сможем смещать интересующую нас поверхность с огромной точностью — вверх, влево или вправо. Современные моторы позволяют добиться смещений на порядки меньше размеров атома.
Оставалось только совместить эти технологии. В 1981 году Герд Биннинг создал сканирующий туннельный микроскоп, первый прибор, который смог «нащупать» атомы. Стоит упомянуть, что невероятная чувствительность туннельного эффекта к расстоянию приводит к тому, что на кончике иглы (который может быть довольно широким в атомарных масштабах) работают лишь отдельные выступающие участки из нескольких атомов. Порой это приводит к тому, что вместо одного острия иглы возникают сразу два участка, вносящих вклад в изображение. Поэтому чрезвычайно важно добиваться правильной формы иглы.
Скан надписи IBM, сделанной с помощью сканирующего туннельного микроскопа из 35 атомов ксенона
Wikimedia Commons
Спустя восемь лет после создания микроскопа физики впервые показали, что с его помощью можно не только видеть атомы, но и двигать их. 10-11 ноября 1989 года Дон Эйглер и его коллеги из исследовательского центра компании IBM воспользовались сканирующим туннельным микроскопом для того, чтобы выложить из 35 атомов ксенона слово «IBM». Весь эксперимент занял несколько часов.
В сентябре 1989 года команда исследователей под руководством Эйглера обнаружила, что если поднести острую иглу сканирующего туннельного микроскопа достаточно близко к атому, лежащему на поверхности, то между ними возникнет притяжение. Перемещение иглы вдоль поверхности приведет к тому, что вслед за ней будет смещаться атом. Если иглу поднять, связь разорвется и атом останется лежать на поверхности.
Физики начали сборку слова с осаждения ксенона на поверхность никелевого кристалла — для этого камеру микроскопа пришлось охладить жидким гелием до семи кельвинов (минус 266 градусов Цельсия). Затем ученые «нащупывали» иглой микроскопа нужные атомы и перекатывали их. На всю работу по охлаждению и перемещению атомов ушло около 22 часов.
Hopkinson, Lutz & Eigler / IBM
Ученые отмечают, что этот эксперимент сыграл огромную роль в работе с веществом на атомарном уровне. Уже через полгода Эйглер научился не только «перекатывать» атомы вдоль поверхности, но и отрывать их от образца и «перекладывать» на новое место. Постепенно управление одиночными атомами освоили и другие научные группы. При этом главным ограничением оставалась невысокая скорость работы и сложность установки.
Кстати, спустя 23 года после выхода работы Эйглера IBM выпустила небольшой мультфильм, выполненный в технике stop motion. С помощью управления отдельными атомами специалисты создали около 250 кадров для мультфильма «Мальчик и его атом» (A boy and his atom, 2013).
Одновременно с развитием сканирующей туннельной микроскопии возникали сходные зондовые методы — например, в 1986 году группа Герда Биннинга представила атомный силовой микроскоп. Вместо того чтобы пропускать электрический ток между поверхностью и иглой, прибор использовал настоящее, почти механическое, ощупывание образцов. Главным элементом этого прибора был кантилевер — атомарно острая игла, прикрепленная на покачивающуюся балку. Когда игла приближается к поверхности, на нее начинают действовать силы Ван-дер-Ваальса — притяжения и отталкивания между атомами. Эти силы немного изменяют характер колебания иглы, что и фиксирует электроника. Еще до эксперимента IBM прибор мог не только изучать поверхность, но и воздействовать на нее на масштабах нанометров (например, достаточно твердая игла может сделать выемки в мягком полимере).
Долгое время атомно-силовая микроскопия не могла добиться атомарного разрешения — исследователи могли различить молекулы на поверхности образцов, но не отдельные атомы. Это ограничение удалось превзойти в 2009 году. Снова решающую роль сыграла компания IBM. Группа Лео Гросса из исследовательского центра компании нашла способ сделать иглу микроскопа идеально острой, поместив на ее острие всего одну молекулу угарного газа. С помощью такого «угарного» кантилевера ученые смогли разглядеть отдельные атомы в молекуле пентацена — органического вещества, молекулы которого состоят из пяти «склеенных» между собой шестиугольников из атомов углерода.
Несколькими годами позже, в 2015 году, с помощью иглы с угарным газом ученые смогли «ощупать» субатомную структуру отдельного атома. Оказалось, что для таких игл атомы меди похожи на бублики. Вероятно, это связано с особенностями симметрии орбиталей атома, на которых находятся электроны.
Сочетание методов зондовой микроскопии позволило контролировать химические реакции на уровне отдельных молекул. В 2015 году исследователи смогли целенаправленно оторвать от молекулы органического вещества два атома иода, используя технику сканирующей туннельной микроскопии, а затем, посадив на ту же самую иглу молекулу угарного газа, исследовать электронные свойства получившейся новой молекулы на атомарном уровне.
Внешний вид «атомарного» модуля памяти. Каждая ячейка — один атом
TU Delft
Среди прикладных целей, которые преследует человечество в управлении отдельными атомами, — создание новых устройств для хранения информации. Самая большая плотность вертикальной записи информации, которая может быть достигнута теоретически, — запись одного бита в одном атоме. Год назад, в июле 2016 года, физики из университета Дельфта показали элемент памяти объемом в один килобайт, информация в котором записывается взаимным расположением отдельных атомов хлора, лежащих на поверхности медного кристалла. Он состоит из блоков по несколько «строк». Если атом хлора лежит в верхней части строки, то он символизирует единицу, а если он находится в центре строки — ноль. Перемещение атомов происходит с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа — на полную перезапись уходит несколько минут. Очень символично, что в модуль памяти исследователи записали текст лекции Ричарда Фейнмана «Там внизу много места».
Сейчас микроскопы такого уровня используются в повседневных исследованиях. С их помощью проводят гонки молекул, исследуют свойства отдельных атомов, определяют химическое строение неизвестных веществ и создают атомарные негатроны. Но насколько современная техника далека от поатомной сборки молекул и фрагментов материалов? Чтобы оценить это, предположим, что нам необходимо путем поатомной сборки создать микрограмм какого-нибудь хитрого материала — например, сложной слоистой структуры, напоминающей графен с примесными атомами, расположенными в точно заданных местах. Нетрудно оценить, что в таком объекте будет порядка десятков квадриллионов атомов. Оценим скорость перемещения атомов из работы дельфтских физиков — порядка 10 тысяч атомов за сотни секунд. При такой скорости оптимистичная оценка времени сборки структуры — больше десяти миллионов лет. С другой стороны, когда-то и управление одним атомом казалось невозможным.
Владимир Королёв
nplus1.ru
