Атомы на кончике иглы

Современный электронный микроскоп – это фактически настоящий суперкомпьютер.
Фото Андрея Ваганова

Так уж получилось, что не в таком еще страшном 1933 году молодой и талантливый физик Георгий Гамов (1904–1968) попал на прием к ставшему уже почти всемогущим наркому Вячеславу Молотову, который спросил теоретика, зачем тот тащит с собой в Париж жену. На что Гамов вполне откровенно сказал, что той хочется купить себе шелковое французское белье и фильдеперсовые чулки. Удивительно, но наивная откровенность способствовала тому, что нарком поставил нужную подпись, и супруги отправились в столицу Франции на очередной конгресс.

Мария Склодовская-Кюри была уже в курсе всего того, что происходит в Союзе, и помогла Гамову остаться в их с мужем институте. Потом Гамовы перебрались за океан, в США, где наш ученый помогал решить проблему генетического кода и теоретически обосновал теорию Большого взрыва. По крайней мере он дожил до дня открытия остаточного фонового излучения, обнаружение которого помогло космологам и астрофизикам уверовать в то, что в начале Вселенной действительно был грандиозный по своим масштабам катаклизм.

А начал Гамов с теоретического объяснения альфа-распада, то есть «вырывания» из ядра альфа-частиц, имеющих два протона. Физики знали, что подобный вид распада существует, но не могли понять, каким же образом и за счет какой энергии столь массивная частица обретает способность преодолеть, казалось бы, непреодолимый энергетический барьер. Вполне в духе Нильса Бора, отважившегося заявить, что электрон в своем «стоянии» вокруг ядра не излучает энергии, Гамов постулировал, что альфа-частица, тоже по выходе из ядра не тратит энергии. Смелое откровение молодого ученого произвело эффект разорвавшейся бомбы. Тем не менее идея подбарьерного, а вернее, «туннельного» прохождения альфа-частиц была принята, а затем и подтверждена экспериментально┘

Прошло более полувека, прежде чем развитие электроники и высокоточной механики позволило создать аппарат, позволяющий использовать идею туннелирования для чисто практических целей. Сначала был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ – Scanning Tunneling Microscope), за что М.Ратнер и А.Авирам почти что сразу получили Нобелевскую премию.

Принцип работы СТМ заключается в том, что при достаточно близком подведении иглы микроскопа к токопроводящей поверхности между ними проскакивает «искра», вернее начинает проходить туннельный ток. Компьютер регистрирует высоту расположения движущейся иглы, в результате чего на дисплее появляется линия с подъемами и падениями. Игла проходит «галсами» над объектом исследования, в результате чего формируется «скан», или поверхностная картинка, например той же молекулы ДНК или бензола.

Со временем ученые научились с помощью СТМ перемещать по поверхности и атомы, которые буквально «липнут» к игле, несущей на своем кончике статический заряд. Так из атомов ксенона было выложено название компании, в исследовательском центре которой был создан СТМ.

Сегодня туннельный микроскоп помогает «сплавить» не соединимые иным способом полидиацетиленовые нанопроволоки и фталоцианиновые мономолекулярные диоды на графитовой поверхности. Вполне возможно, что со временем СТМ будет использоваться и для составления (stacking) интегрированных устройств, состоящих из транзистора и источника света. По крайней мере И.Кравченко из национальной лаборатории Оук-Ридж c коллегами по Флоридскому университету в г. Гэйнсвил сумели сильно уменьшить размеры и энергопотребление органических светодиодов. При этом диоды излучают в трех классических цветовых диапазонах, используемых с незапамятных времен в телевизорах.

Оптический микроскоп Гертеля, начало XVIII века. Рисунок из книги: Соболь С.Л. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. 1949

Успеха удалось добиться за счет использования однослойных нанотрубок (SWNT – Single-Walled Nanotubes). Ученые отмечают, что их новое устройство вполне сравнимо с пикселями дисплея, управляемыми классическими транзисторами на кремниевой подложке. Их результаты получили подтверждение в университете штата Иллинойс, расположенном в г. Урбана-Шампань. Специалистам университета удалось создать устройства памяти, работающие при напряжении менее одного вольта и с потреблением энергии менее одного фемтоджоуля (10–15 джоуля) на бит информации.

В том же университете с помощью иглы микроскопа атомной силы (АFM – Atomic Force Microscope), служившей в качестве термодатчика, осуществили измерение температуры графенового транзистора. К удивлению ученых, транзистор не греет, а охлаждает подведенные к нему металлические контакты. Это необычное явление, не наблюдаемое в кремниевых транзисторах, получило название термоэлектрического охлаждения. О масштабах чувствительности можно судить по тому, что дистанционное разрешение при «обследовании» графен-металлического контакта составило 10 нанометров, а температура измерялась с точностью до 250 тысячных градуса Кельвина (мК).

Сейчас проводятся измерения тепловых эффектов и охлаждения нанотрубок в надежде на то, что в недалеком будущем по мере усовершенствования производства графеновых транзисторов термоэлектрическое охлаждение станет еще более выраженным. Ведь если удастся создать «холодный» компьютер, то айпэды и ноутбуки станут не толще листа бумаги. Ну, двух-трех листов, если вы уж так хотите – чтобы не гнулись и не образовывали складки.