Наверное, каждый из нас еще со школы представляет, что атом — это что-то вроде солнечной системы в миниатюре. В центре находится «солнце» — ядро атома, а вокруг располагаются на своих орбитах «планеты» — отрицательно заряженные электроны. На самом деле все гораздо сложнее. Электроны, например, вовсе не движутся по определенным орбитам. Это состояние физики описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Ученые говорят об «электронном облаке» или даже «облаке вероятности».
Но как увидеть атом воочию, как получить его портрет, если его размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света? Его не то что в оптический, но и в электронный микроскоп толком не разглядеть. Ученым ННЦ «Харьковский физико-технический институт» удалось впервые в мире получить первое детальное изображение атома в окружении электронного облака. Статья об этом достижении харьковских физиков принята в печать и в ближайшее время появится в престижном научном журнале Physical Review B. Как сообщил авторам редактор этого издания, решением редакции статья отмечена как выдающаяся.
— Игорь Михайлович, как вам удалось рассмотреть атом? Вы располагаете каким-то суперсовременным оборудованием? — спрашиваю И.Михайлов-ского, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника отдела физики низких температур и конденсированного состояния Института твердого тела, материаловедения и технологий, входящего в состав ННЦ «Харьковский физико-технический институт».
— Нет, мы использовали полевой автоэлектронный микроскоп 1936 года, который был изобретен в 30-е годы прошлого столетия Эрвином Мюллером. Разрешение у него скромное, но нам удалось впервые как бы «идеально навести на резкость» этот микроскоп и реализовать его теоретический предел разрешения. Таким образом были получены портреты атомов с неслыханным доселе фантастическим увеличением — в десятки миллионов раз. Фокус состоит в том, что разрешение этого микроскопа крайне существенным образом зависит от конфигурации образца. В нашем случае — это одномерная углеродная нить. То есть вертикальная последовательная цепочка из нескольких десятков атомов углеродов, которая одним концом закреплена, а второй остается свободным.
— В чем состоит суть метода?
— Мы размещаем образец на подложке в высокий вакуум при температуре, максимально близкой к абсолютному нулю, и создаем вокруг него электрическое поле максимальной напряженности, о котором вообще может идти речь в связи с физикой твердого тела. Под действием напряжения последний атом в цепочке начал испускать электроны на внешний экран, покрытый фосфором. В результате и удалось получить изображение, где видны области нахождения электронов вокруг атомного ядра.
— Где получена такая нить?
— Мы сами ее впервые и получили, предложив два года назад способ изготовления одномерных углеродных нитей. Причем наши расчеты показали, что прочность таких нитей превосходит все, что было известно к тому времени. В частности, энергия углеродной связи в одномерной цепочке оказывается большей, чем в алмазе. Это самая прочная связь, известная физикам. Наша цивилизация сейчас активно осваивает нанотехнологии, и, на наш взгляд, вершиной этого процесса будет применение углеродных одноатомных нитей. Это как бы «скелет» всего будущего нанопроизводства — передний край науки.
— Прочность нити является необходимым условием для получения изображения?
— Да, вопрос прочности образца был существенным, поскольку мы развиваем сверхсильные электрические поля. Наши эксперименты показали, что углерод при наложении полей не разрушается, а распускается на атомные цепочки. Как вязанье, например. Второе важное для получения снимка свойство одномерной нити углерода — превращаться в таких условиях в ультрапроводник, хотя в обычном состоянии этот материал является плохим проводником. Именно благодаря таким свойствам образца и стало возможным получение подобного высокого разрешения, недоступного сейчас лучшим электронным микроскопам. Причем чем острее кончик образца, тем более четкие изображения мы получаем. В нашем случае разрешение увеличивается до уровня субангстремного, то есть меньше одного ангстрема.
— Эта работа имеет прикладное значение?
— Пока она носит сугубо фундаментальный характер. Но я хочу процитировать одного из рецензентов нашей работы, который сказал, что Гейзенберг и Шредингер, будь они живы, были бы рады увидеть этот снимок. Сейчас я не вижу ее применения для материаловедения, а что будет потом — посмотрим.
— В перспективе можно будет сделать снимки атомов других веществ?
— Возможно, например, золота. Большинство необходимых для этого цепочек, я думаю, можно создать. Но их нужно иначе изготавливать.
На снимке: коллектив харьковских исследователей. Слева направо: Евгений Саданов, Татьяна Мазилова, Игорь Михайловский, Ольга Великодная, Вячеслав Ксенофонтов.