Ученые IBM измерили силу необходимую для перемещения отдельных атомов

Компания IBM сообщила, что ее сотрудники с коллегами из Университета Регенсбурга (Германия) впервые измерили значение силы, которую требуется приложить к отдельным атомам для их перемещения по поверхности вещества.

Созданная методика измерения, которую по праву можно отнести к фундаментальному научному достижению, позволяет получать информацию, необходимую для проектирования устройств на атомном уровне – миниатюрных компьютерных микросхем, устройств хранения данных и многого другого.

Около двадцати лет назад в Альмаденском научно-исследовательском центре IBM (IBM Almaden Research Center) в Сан-Хосе, в расположенной на холмах Кремниевой долины небольшой лаборатории, оснащенной высокотехнологичным оборудованием, ученому Дону Айглеру (Don Eigler) – нынешнему обладателю титула IBM Fellow удалось достичь важного поворотного пункта на пути человечества к конструированию микроструктур. 29 сентября 1989 года он впервые в истории продемонстрировал способность манипулировать отдельными атомами с точностью атомарного уровня, составив из отдельных атомов ксенона буквы "I-B-M" на поверхности вещества.

В наши дни новое поколение исследователей в той же самой лаборатории, при поддержке своих коллег из Университета Регенсбурга, добилось очередного чрезвычайно важного успеха на этом пути – они измерили величину силы (очень малую по своему значению), необходимую для манипулирования атомами. Описание этого революционного достижения опубликовано 21 февраля в журнале Science («Наука»).

«Достигнутый результат позволит получать важнейшую информацию, необходимую для проектирования и производства структур атомарного масштаба, что, в свою очередь, будет способствовать приближению эры сверхминиатюрных устройств хранения данных и модулей памяти, — говорит Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich), ведущий ученый лаборатории исследований с использованием сканирующего туннельного микроскопа центра IBM Almaden Research Center. — Наша миссия состоит в создании основы для того, что когда-нибудь может быть названо "IBM nanoconstruction company" – наностроительной компанией IBM».

В статье, озаглавленной "The Force Needed to Move an Atom on a Surface" («Сила, необходимая для перемещения атома по поверхности вещества»), ученые приводят полученные результаты измерений, сообщая, в частности, что для перемещения атома кобальта по гладкой поверхности платинового образца требуется приложить силу в 210 пН (пиконьютон), тогда как для перемещения атома кобальта по поверхности медного образца нужна сила лишь в 17 пН. Таким образом – переводя эти результаты на макроскопический уровень – чтобы «сдвинуть с места» медную одноцентовую монетку весом всего в 3 грамма, нужно приложить силу, равную не менее 30 млрд. пН, что в 2 млрд. раз превышает силу, необходимую для перемещения одного атома кобальта по медной поверхности.

Ученые обнаружили, что величина силы варьируется в широких пределах в зависимости от конкретного вещества, используемого в качестве опытной поверхности. Величина силы также в значительно степени зависит от того, к чему она прикладывается для манипулирования – к одиночному атому или небольшой молекуле.

Данное научное достижение сочетает в себе две методики высочайшего уровня точности и эффективности – измерение значений силы и перемещение атомов/молекул на поверхности вещества. Эта работа основывается на многолетнем опыте исследований и разработок IBM в области атомно-силовой микроскопии – AFM-микроскоп был изобретен более 20 лет назад Нобелевским лауреатом и обладателем титула IBM Fellow Гердом Биннигом (Gerd Binnig), ученым из IBM Кристофом Гербером (Christoph Gerber) и профессором Стэнфордского университета Келвином Квейтом (Calvin Quate).

Атомно-силовой микроскоп использует зонд в виде сверхтонкой иглы, вмонтированный в гибкую конструкцию манипулятора, которая позволяет осуществлять взаимодействие между иглой зонда и атомами на поверхности вещества, и измерять параметры этого взаимодействия. В описываемом опыте эта гибкая конструкция была оборудована миниатюрным кварцевым резонатором – по типу эталонного генератора стабильной частоты, широко используемого в настольных и наручных часах. Когда игла зонда позиционировалась в непосредственной близости от атома на поверхности образца, частота кварцевого генератора изменялась в небольших пределах. Это изменение частоты можно проанализировать для определения силы, приложенной к атому. «Поразительно, что этот инструмент, в котором используется кварцевый генератор от обычных часов, может быть применен для измерения сил между отдельными атомами», — говорит профессор Франц Гиссибл (Franz Giessibl) из Университета Регенсбурга.

Видеосюжет на тему данной новости можно посмотреть здесь.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365