атом под микроскопом

Ответ от Ёмотрящий в даль[гуру]
Визуальное наблюдение атомов
После изобретения оптического микроскопа люди несколько столетий вглядывались в открывшийся перед ними удивительный мир: клетки, органеллы, кристаллы, огромные молекулы.. .По мере усовершенствования оптики на свет в буквальном смысле выплывали все новые и новые подробности.
К тому времени, как был достигнут дифракционный предел для видимого света (примерно 1000-кратное увеличение) , люди поняли, что самое интересное так и осталось за кадром: с помощью оптических устройств никогда не удастся увидеть атомы, имеющие размер порядка ангстрема (0,1 от миллиардной доли метра). А посмотреть на них очень хотелось. Вплотную подойти к заветной цели помог электронный микроскоп. И все же лучшее, на что здесь можно рассчитывать, это картинки с атомами-точками. Дальше наше зрение бессильно, и никакой микроскоп тут не поможет.. .кроме туннельного.
Первые шаги на ощупь
В начале 1980-х Герд Бинниг и Генрих Рорер, сотрудники швейцарского отделения IBM, сделали прибор, позволяющий рассматривать одиночные атомы вещества. В нем было использовано квантовое явление туннелирования, и он получил название "сканирующий туннельный микроскоп" (СТМ) .
Идея состояла в следующем. Очень тонкая игла-зонд с острием толщиной в один атом перемещается над поверхностью объекта на расстоянии порядка одного нанометра. В соответствии с законами квантовой механики возникает туннельный эффект: электроны преодолевают вакуумный барьер между объектом и иглой, и в цепи "образец–игла" начинает течь ток. Величина его чрезвычайно сильно зависит от расстояния между концом иглы и поверхностью объекта. Так сильно, что даже при уменьшении промежутка всего на один ангстрем ток возрастает примерно на порядок. Поэтому, следя за величиной тока при перемещении иглы вдоль поверхности, можно изучать ее рельеф – словно читая книгу для слепых, написанную шрифтом Брайля.
В теории идея красивая и простая, но на практике чрезвычайно сложная. Нужно полностью устранить вибрации, термические деформации, сделать иглу с одноатомным острием, да еще уметь перемещать ее с субатомной точностью. Первые две задачи можно решить, сделав виброразвязку и изолировав систему в вакууме от акустических шумов, а для компонентов конструкции подобрав материалы с малыми коэффициентами термического расширения. Что касается перемещения, тут, к счастью, есть пьезодвигатели. Но как быть с иглой? Выручило то, что на атомном уровне поверхность всегда "шероховатая", и на ней всегда найдется "мини-острие", выступающее дальше всех. Именно оно первым будет "чувствовать" поверхность, а ток через соседние атомы на конце иглы будет на порядок меньше. Убедиться в правильности этих рассуждений можно было только в экспериментах, которые заняли 27 месяцев.
Первая испытательная установка представляла собой смесь лабораторной работы по физике и научной фантастики. Ее сделали на основе эксикатора (осушителя) , обмотанного огромным количеством обыкновенного скотча. В этой охлаждаемой камере над сверхпроводящей свинцовой чашей левитировала жесткая платформа, снабженная постоянными магнитами. На ней были закреплены площадка на трех ножках с образцом, пьезодвигатели и держатель иглы. Уникальное сооружение потребляло 20 л жидкого гелия в час. Именно на этом экзотическом устройстве после нескольких месяцев непрерывной работы получили первые результаты – подтвердили экспоненциальную связь между туннельным током и расстоянием от иглы до образца. Это был первый и последний случай использования левитации в туннельной микроскопии – впоследствии использовалась виброразвязка СТМ с помощью системы пру