Самый маленький фильм в мире

понедельник, 20 мая 2019

08:00

все записи пользователя в сообществе Diary best

Искатель @сокровищ

Пишет Terra Cee:

Рассказ о самом маленьком фильме в мире, как водится, начнётся издалека.

Два сотрудника научно-исследовательской лаборатории IBM, занимавшихся изучением поверхностей материалов, Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер в 1981 году изобрели сканирующий электронный микроскоп, за что в 1986 году получили Нобелевскую премию. Работа сканирующего электронного микроскопа основана на эффекте квантового туннелирования.
При слове "микроскоп" обычно представляется устройство с линзами и зеркалами. В сканирующем электронном микроскопе ничего этого нет, а есть металлическая иголка с тонким кончиком (для достижения высокого разрешения он должен быть толщиной в один атом, но для некоторых задач толщины кончика в 3 нанометра быть вполне достаточно). Иголка подносится к образцу на расстояние примерно в 1 нанометр, к ней прикладывается напряжение. Кажется, что воздушный зазор — непреодолимый барьер для электронов, не дающий им под действием напряжения перемещаться из образца на иголку (или наоборот). Так было бы, если бы электроны были классическими объектами, но они — объекты квантовые. В квантовой механике частица — одновременно и волна и присутствует понемногу везде, а, значит, есть ненулевая вероятность того, что электрон просочится через зазор. Этот эффект называется туннелированием, а получающийся в результате электрический ток — туннельным. Сила туннельного тока экспоненциально зависит от ширины зазора (это очень сильная зависимость), следовательно, измерив эту самую силу, мы можем вычислить расстояние от поверхности до иглы. Перемещая иголку вдоль поверхности образца, мы можем просканировать рельеф (если точнее, мы увидим распределение плотности электронов в образце, которая, конечно, зависит от его формы). Для получения хорошего разрешения микроскопа необходимо изолировать прибор от вибраций, а для достижения атомарного разрешения надо поместить образец в высокий вакуум и охладить установку, чтобы подавить температурные колебания иглы и предметного столика. Замечательная особенность сканирующего туннельного микроскопа заключается в том, что он позволяет не только увидеть отдельные атомы. Если поднести иглу к образцу совсем близко, то можно захватывать и перемещать отдельные атомы. Именно эта способность сканирующего туннельного микроскопа использовалась при создании фильма.

В 2013 году для демонстрации возможностей туннельной микроскопии компания IBM создала короткий фильм "Мальчик и его атом". Изображение было создано с помощью молекул оксида углерода CO (в просторечии угарного газа), размещённых на медной пластине. Вся установка находилась в вакууме при температуре в 5 Кельвин (-268 градусов Цельсия). Сначала атомы расставлялись на свои места с помощью медной иглы, потом картинка сканировалась, и цикл повторялся. Работа выполнялась 18 часов каждый день в течение двух недель. Размеры кадра составляют 45*25 нанометров, что делает этот фильм самым маленьким в мире.

P. S. На третьем курсе я делала лабораторную работу со сканирующим туннельным микроскопом.