манипуляция атомами (англ. atomic manipulations) — направленное перемещение и позиционирование атомов в пространстве.

Описание

Идеальный процесс создания наноструктур — это сборка атом за атомом, как предлагал Ричард Фейнман (Richard Feynman) в своей пророческой статье 1960 г. [1]. С развитием сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) эта фантастическая перспектива стала реальностью. В настоящее время среди различных подходов СЗМ показала себя как наиболее простой и удобный метод манипулирования атомами. Дополнительное достоинство СЗМ — это то, что его можноиспользовать не только как исследовательский прибор, но и как инструмент для воздействия на атомы поверхности. Используя межатомные силы между «последним» атомом иглы и атомом на поверхности, а также электростатические силы, действующие со стороны иглы на поверхность, или же токи высокой плотности, можно цеплять атомы к игле, перемещать их по поверхности в нужное место, удалять ненужные, осаждать дополнительные атомы с иглы. Итак, для атомных манипуляций и наблюдения служит один и тот же прибор: можно сначала осмотреть поверхность, выбрать объект для манипуляций, произвести их, а затем проверить результат.

Возможность таких атомных манипуляций была впервые продемонстрирована в 1989 г. группой американского физика Д. Эйглера (см. квантовый загон).

Другим инструментом для манипулирования атомами является лазерная ловушка (оптический пинцет) и ее усовершенствованный вариант — магнито-оптическая ловушка. Поскольку свет представляет собой высокочастотное электрическое и магнитное поле, сфокусированный лазерный пучок создает переменное электрическое поле с локальным максимумом. Когда это поле взаимодействует с атомом, оно изменяет распределение электронов вокруг атома и индуцирует в нем электрический дипольный момент. Такой атом будет притягиваться в область локального максимума электрического поля лазерного луча. Другая сила, действующая на атомы в луче лазера — давление света: атомы, поглощая фотоны, приобретают их импульс и начинают рассеиваться. Для минимизации рассеяния частота излучения лазера должна быть ниже частоты, при которой атомы поглощают фотоны. С помощью лазерных ловушек удалось удерживать атомы испаренных веществ, которые движутся при комнатной температуре со сверхзвуковой скоростью, практически в неподвижном состоянии, т. е. снижать их температуру почти до абсолютного нуля. Это позволило более детально изучать внутреннее строение атомов, и создавать прецизионные атомные часы. За исследования в области охлаждения и улавливания атомов с использованием лазерных технологий Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Филлипс были удостоены Нобелевской премии по физике за 1997 г. В настоящее время лазерные ловушки и лазерные пинцеты также широко применяются в биологических исследованиях, в частности, для изучения механических характеристик биологических моторов.

Иллюстрации

Используя межатомные силы между «последним» атомом иглы и атомом на поверхности, а также э
Используя межатомные силы между «последним» атомом иглы и атомом на поверхности, а также электростатические силы, действующие со стороны иглы на поверхность, или же токи высокой плотности, можно цеплять атомы к игле, перемещать их по поверхности в нужное место, удалять ненужные, осаждать дополнительные атомы с иглы.

Авторы

  • Саранин Александр Александрович
  • Ширинский Владимир Павлович

Источники

  1. Feynman R. P. There’s plenty of room at the bottom // Eng. and Sci. (Calif. Inst. Technol.). 1960. V. 23, №2. P. 22–29.
  2. Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
  3. Chu S. Laser Trapping of Neutral Particles // Scientific American, 2008. —www.scientificamerican.com/article.cfm?id=steven-chu-laser-trapping-of-neutral&page=7 (дата обращения: 27.07.2010).

Напишите нам