Игорь Иванов - Как расщепляют мгновение

Итак, возникает вопрос: как изучить диффузию поверхностных вакансий? Первое желание, конечно, просто взять и посмотреть с помощью какого-нибудь метода с высоким разрешением. Например, есть такой метод — сканирующая туннельная микроскопия, — с помощью которого можно видеть отдельные атомы. Но, к сожалению, этот метод очень медленный. Для того чтобы получить снимок даже небольшого участка поверхности, требуется время порядка секунды. В то же время теоретические оценки говорят о том, что все эти вакансии атома перемещаются за времена порядка наносекунд. С помощью этого метода ничего не получишь. С другой стороны, конечно, есть методы и быстрые, которые я потом еще покажу, но у них, как правило, есть очень плохое пространственное разрешение: они отдельный атом просто не видят. В результате возникает дилемма: как на эти вакансии взглянуть, чтобы их увидеть. Требуется некоторая экспериментальная хитрость.

И такую экспериментальную хитрость реализовали несколько лет назад ученые. Они сделали такую вещь: они решили на поверхность выращенного кристалла посадить примесные атомы, то есть атомы какого-то другого сорта. Эти атомы хорошо видны в сканирующий туннельный микроскоп, просто они отличаются по своим свойствам от атомов подложки. Эти атомы, когда их только посадили, встраиваются в верхний приповерхностный слой и, как правило, там сидят неподвижно. Сидят, сидят, сидят... Можно делать снимок за снимком — через каждую, скажем, секунду — какого-нибудь участка, и будет видно, что атомы там сидят неподвижно. Но в тот момент, когда какая-нибудь вакансия прибегает (она же бегает очень быстро), она прибегает и взаимодействует с этими примесными атомами, перемещает их на несколько шагов атомной решетки и снова убегает. В результате получается, что на следующем кадре уже эти примесные атомы будут сдвинуты. И изучая эти перескоки атомов, которые происходят на самом деле очень редко, можно выяснить и динамику, диффузию вот этих вакансий.

Вот картинка из экспериментальной работы (подробнее о работе см.: Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла). На самом деле, конечно, там было много картинок получено, а это просто типичная картинка. Вот здесь показан небольшой участок поверхности меди, на которой сидят примесные атомы индия. Температура была 320 кельвинов, то есть вполне комнатная температура. Естественно, никаких вакансий не видно, потому что этот метод очень медленный. Зато видно сидящие примесные атомы. Вот последовательность из четырех кадров. Между первыми двумя прошло 160 секунд, то есть за 160 секунд они никуда не сдвинулись. Между вторым и третьим прошло 20 секунд, и за 20 секунд мало того что они оба перепрыгнули куда-то, так еще в кадр попали какие-то другие атомы. Это вполне согласуется с тем механизмом перемещения за счет вакансий, про который я говорил. Когда экспериментаторы обработали все данные, они смогли восстановить динамические свойства вот этих вакансий. То есть оказалось, что действительно у них очень маленькая концентрация, кроме всего прочего. И оказалось, что типичное время перескока — порядка 10 наносекунд. То есть это интересная иллюстрация того, что очень медленный инструмент позволяет иногда изучить динамику намного более быстрых явлений, если правильно, хитро поставить эксперимент.

Теперь переходим от наносекунд еще глубже, к пикосекундам. Пикосекунды — это еще более краткий миг. И за пикосекунды никакие тела — и вообще даже свет — не успевают сдвинуться на какие-либо макроскопические расстояния. Здесь мы уже переходим в чисто микроскопическую — ну, или, может быть, мезоскопическую — физику.

Какие типичные процессы происходят на временах порядка пикосекунд? Это, прежде всего, разнообразные атомные, молекулярные явления. То есть явления, связанные с движением отдельных атомов или их групп. Например, синхронные колебания кристаллической решетки, то есть фононы. То есть если у вас есть, например, звук, то... — вы, наверное, знаете, что звук можно представить себе как поток таких квазичастиц, которые идут сквозь кристалл, то есть колебания решетки, которые называются фононами. Типичные времена колебания в этих фононах составляют как раз единицы, десятки, сотни пикосекунд.

Дальше. Например, поведение биологических молекул. Скажем, при свертке белков у вас происходит целый каскад разнообразных процессов. Когда у вас белок только транскрибировался... транслировался... вот... и потом начинает сворачиваться, то в процессе этой свертки у вас есть явления, которые происходят на пикосекундном масштабе, на наносекундном масштабе, вплоть до секунд. Но самые быстрые шаги переконформации этого белка происходят на пикосекундном масштабе. Это очень важно для биологии — знать, как всё это происходит.

Здесь же протекает такая вещь, как кинетика фазовых переходов. Слово «кинетика» означает, что мы не смотрим просто на результат чего-либо, а мы хотим в деталях знать, желательно поатомно, как происходит тот или иной процесс. То есть вот мы говорим: «Лед плавится». Скажем, посветили короткой вспышкой лазерного света на лед, и он расплавился. Но мы хотим знать, как начинается этот процесс — поатомно или через какие-нибудь колебания, однородно, неоднородно? Вот это всё изучается на пикосекундном масштабе.

Сюда же попадают и некоторые электронные явления. Я думаю, вы понимаете, что вообще между движением атомов и движением электронов есть довольно большой зазор по времени, потому что электроны на несколько порядков легче атомов, ядер. Поэтому при тех же самых силах электроны имеют отклик намного более быстрый, чем атомы или молекулы. Поэтому в пикосекундный масштаб попадают атомы и молекулы и некоторые достаточно медленные электронные движения. Ну например, кинетика носителей зарядов полупроводника. То есть, когда у вас в полупроводник подали напряжение, пошел какой-то ток, этот ток означает, что там светом посветили, начались какие-то процессы — скажем, родились дырки, которые куда-то потекли, начали рекомбинировать и так далее. Это всё протекает на масштабах порядка пикосекунд. В химических реакциях тоже. Говорится: «Химическая реакция произошла». На самом деле, она же не одномоментно происходит, это тоже целый каскад явлений, которые запускаются и следуют друг за другом. Это всё сопровождается разрывом, перетеканием электронных облаков, разрывом или созданием новых химических связей. Это всё тоже относится примерно к пикосекундному диапазону.