Напевно, кожен із нас ще зі школи уявляє, що атом — це щось на кшталт сонячної системи в мініатюрі. У центрі міститься «сонце» — ядро атома, а навколо розташовуються на своїх орбітах «планети» — негативно заряджені електрони. Насправді все набагато складніше. Електрони, наприклад, зовсім не рухаються визначеними орбітами. Цей стан фізики описують хвильовою функцією, квадрат модуля якої характеризує імовірність перебування частинки в даній точці на даний момент часу. Вчені говорять про «електронну хмару» або навіть «хмару імовірності».
Але як побачити атом наочно, як отримати його портрет, якщо його розміри в тисячі разів менші за довжину хвилі видимого світла? Його не тільки в оптичний, а й в електронний мікроскоп як слід не роздивитися. Ученим ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» удалося вперше у світі отримати перше детальне зображення атома в оточенні електронної хмари. Стаття про це досягнення харківських фізиків узята до друку і найближчим часом з’явиться у престижному науковому журналі Physical Review B. Як повідомив авторам редактор цього видання, рішенням редакції статтю відзначено як видатну.
— Ігоре Михайловичу, як вам удалося роздивитися атом? Ви маєте якесь суперсучасне обладнання? — запитую І.Михайловського, доктора фізико-математичних наук, провідного наукового співробітника відділу фізики низьких температур і конденсованого стану Інституту твердого тіла, матеріалознавства і технологій, який входить до складу ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут».
— Ні, ми використовували польовий автоелектронний мікроскоп 1936 року, винайдений у 30-х роках минулого століття Ервіном Мюллером. Розділення у нього скромне, але ми змогли вперше ніби «ідеально навести на різкість» цей мікроскоп і реалізувати його теоретичну межу розділення. Таким чином було отримано портрети атомів із нечуваним досі фантастичним збільшенням — у десятки мільйонів разів. Фокус полягає в тому, що розділення цього мікроскопа істотно залежить від конфігурації зразка. У нашому випадку — це одномірна вуглецева нитка. Тобто вертикальний послідовний ланцюжок із кількох десятків атомів вуглеців, який одним кінцем закріплений, а другий залишається вільним.
— У чому полягає суть методу?
— Ми розміщуємо зразок на підложці у?високий вакуум при температурі, максимально наближеній до абсолютного нуля, і створюємо навколо нього електричне поле максимальної напруженості, про яке взагалі може йтися у зв’язку з фізикою твердого тіла. Під дією напруги останній атом у ланцюжку почав випускати електрони на зовнішній екран, покритий фосфором. У результаті і вдалося отримати зображення, на якому видно ділянки перебування електронів навколо атомного ядра.
— Де отримано таку нитку?
— Ми самі її вперше й отримали, запропонувавши два роки тому спосіб виготовлення одномірних вуглецевих ниток. Причому наші розрахунки показали, що міцність таких ниток перевершує все, що було відоме на той час. Зокрема енергія вуглецевого зв’язку в одномірному ланцюжку виявляється більшою, ніж а алмазі. Це найміцніший зв’язок, відомий фізикам. Наша цивілізація нині активно освоює нанотехнології, і, на наш погляд, вершиною цього процесу буде застосування вуглецевих одноатомних ниток. Це ніби «скелет» усього майбутнього нановиробництва — передній край науки.
— Міцність нитки — необхідна умова для отримання зображення?
— Так, питання міцності зразка було важливе, оскільки ми розвиваємо надсильні електричні поля. Наші експерименти показали, що вуглець при накладенні полів не руйнується, а розпускається на атомні ланцюжки. Як плетіння, наприклад. Друга важлива для отримання знімка властивість одномірної нитки вуглеводу — перетворюватися в таких умовах на ультрапровідник, хоча в звичайному стані цей матеріал — поганий провідник. Саме завдяки таким властивостям зразка ми й змогли отримати таке високе розділення, недоступне нині найкращим електронним мікроскопам. Причому чим гостріший кінчик зразка, тим чіткіші зображення ми отримуємо. У нашому випадку розділення збільшується до рівня субангстремного, тобто менше одного ангстрема.
— Ця робота має прикладне значення?
— Поки що вона має суто фундаментальний характер. Але я хочу процитувати одного з рецензентів нашої праці, який сказав, що Гейзенберг і Шредінгер, якби були живі, були б раді побачити цей знімок. Поки що я не бачу, як її можна застосувати для матеріалознавства, а що буде потім — подивимося.
— У перспективі можна буде зробити знімки атомів інших речовин?
— Можливо, наприклад золота. Більшість необхідних для цього ланцюжків, гадаю, можна створити. Але їх потрібно інакше виготовляти.
На знімку: колектив харківських
дослідників (зліва направо): Євген Саданов, Тетяна Мазілова, Ігор Михайловсь-кий, Ольга Великодна, В’ячеслав Ксенофонтов.