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 () 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.
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