Компания IBM стоит у истоков большого количества современных технологий, одна из которых — сканирующая туннельная микроскопия. Для демонстрации своих возможностей инженеры компании однажды сняли мультфильм, каждый кадр которого нарисован несколькими атомами.

«Мальчик и его атом» (A Boy And his Atom) ученые «рисовали» молекулами монооксида углерода с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Первым проходом иглы молекулы располагались в нужных местах, а вторым считывалось получившееся изображение. Волны, которые расходятся от контуров фигур — это возмущения электронного газа, состоящего из свободных электронов на поверхности медной подложки.

Итоговое изображение получено не в оптическом диапазоне — увеличить что-либо в видимом спектре в 100 миллионов раз невозможно. Сканирующий узел СТМ проходит над исследуемым образцом на расстоянии нескольких ангстрем (0,1 нм или одна десятимиллиардная часть метра) и фиксирует атомы или молекулы по изменениям туннельного тока в очень острой металлической игле.

Хотя снаружи СТМ чаще проивзодит впечатление наспех собранной экспериментальной установки, его возможности фактически перевернули представление исследователей о работе с образцами нанометрового масштаба

Итогом сканирования становится карта высот, отражающая расположение атомов на поверхности специальной подложки. Чтобы остановить тепловое движение атомов, в рабочей зоне СТМ поддерживается вакуум, а образец охлаждается до температур в 10−15 градусов Кельвина. Для устранения влияния помех в помещении с микроскопом обеспечивается полная вибрационная и звуковая изоляция, а также отключаются все посторонние приборы.

За изобретение СТМ инженеры IBM Герд Бинниг и Генрих Рорер удостоились Нобелевской премии в 1986 году. Созданный ими за пять лет до этого прототип стал первым в классе сканирующих зондовых микроскопов. Помимо возможности получать карту высот исследуемого образца, СТМ может манипулировать атомами и молекулами, подводя иглу намного ближе, чем требуется для измерения.

Принцип работы СТМ изящен и прост — есть игла, есть образец и есть электроны, которые туннелируют между ними. Идеи подобной установки витали в умах физиков с начала XX века, но воплотить в жизнь их получилось лишь чуть менее 40 лет назад.

Авторами этого ролика двигало желание показать миру плоды работы, которая не просто сложна и интересна, но и приводит их самих в восторг. «Если я смогу это сделать создав фильм и смотивировав тысячу детей пойти в науку, а не стать юристом, я буду супер счаслив», — рассказывает о создании короткометражки один из инициаторов проекта Андреас Хайнрих, ведущий специалист исследовательского подразделения IBM.

Возможность манипулирования отдельными атомами или молекулами чрезвычайно актуальна для современной микроэлектроники, а «Мальчик и его атом» наглядно показывает, каких высот достигли в этом инженеры IBM. Подробный рассказ о том, как и зачем создавался этот короткий ролик можно найти на YouTube-канале компании по началу заголовков «IBM Atomic Shorts».

Источник: charter97.org