Ученые IBM впервые измерили зарядовое состояние отдельных атомов

Измерение зарядового состояния отдельных атомов стало возможно благодаря бесконтактному методу с использованием атомно-силового микроскопа. Согласно сообщению, опубликованному в журнале Science, эксперимент провели Лео Гросс (Leo Gross), Фабиан Мон (Fabian Mohn) и Герхард Мейер (Gerhard Meyer) из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (IBM Zurich Research Laboratory) совместно с коллегами из Университета Регенсбурга (University of Regensburg) и Университета Утрехта (Utrecht University).

Они смогли отобразить и идентифицировать отдельные атомы золота и серебра путем измерения сверхмалого различия значений силы, действующей между иглой щупа атомно-силового микроскопа и заряженным (или незаряженным) атомом вещества. При проведении этих экспериментов исследователи использовали комбинированный сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп в вакуумной среде при сверхнизкой температуре (5 градусов по Кельвину) – с целью достижения высокой стабильности измерений.

В эксперименте AFM-микроскоп использовал датчик силы qPlus, состоящий из иглы щупа, установленной на одном «острие» вильчатого резонатора камертонного типа; при этом второе острие было закреплено, оставаясь неподвижным. Этот камертонный датчик, который представляет собой миниатюрный кварцевый резонатор, приводится в действие механически и колеблется с амплитудой порядка 22 пикометра (или 0,022 нм), что приблизительно соответствует 1/10 диаметра атома. По мере приближения иглы щупа к атомам золота на подложке, резонансная частота колебаний меняется в результате действия сил, возникающих между ними. Сканируя иглой щупа по образцу и измеряя различия в смещении частоты колебаний, можно составить точную диаграмму сил, действующих на его поверхности.

Это является важным достижением, открывающим новые возможности в исследовании структур наномасштаба и устройств с ограничениями на молекулярном и атомарном уровнях. Оно также способно оказать влияние на развитие ряда прикладных направлений, таких как молекулярная электроника, катализ (увеличение скорости химической реакции под действием катализатора) и фотоэлектрическая энергетика. Также оно должно поспособствовать созданию вычислительных элементов, которые, как ожидается, будут значительно миниатюрнее, производительнее и энергетически эффективнее, чем сегодняшние процессоры и модули оперативной памяти.

«Характеристики зарядового состояния и распределения зарядов чрезвычайно важны в процессах катализа и фотоэлектрического преобразования. Картина распределения зарядов на атомарном уровне может стать ключевым шагом на пути познания фундаментальных процессов в этих прикладных областях», – подчеркнул Лео Гросс.