Генрих Эрлих - Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Выяснилось это уже в США, куда Мюллер эмигрировал в 1952 году. В Пенсильванском университете Мюллер вместе со своими студентами и аспирантами занимался усовершенствованием нового микроскопа. Для получения качественных изображений они стали использовать сверхнизкие температуры, но чувствительности все равно не хватало. Оказалось, что корень проблем был в предварительной подготовке иглы. Традиционно все твердые поверхности перед проведением физических исследований очищают от адсорбированных примесей нагреванием в глубоком вакууме. Но при этом все острые выступы оплавляются, то же происходило и с кончиком иглы. Аспирант Мюллера Канвар Баадур предложил новый способ очистки иглы, и дело пошло на лад.

11 октября 1955 года Баадур поместил в установку вольфрамовую иглу и получил на флуоресцентном экране первое в истории изображение атома, находившегося на самом кончике иглы. Очевидцы потом вспоминали, что у присутствовавшего при эксперименте Мюллера от волнения из головы вылетели все английские слова и он начал кричать по-немецки: “Я вижу атом! Да, атом!” Его мечта сбылась.

Бывшие сотрудники Мюллера вспоминали, что все они с момента получения первого изображения атома жили в ожидании, когда же шефу присудят Нобелевскую премию по физике. Но этого так и не произошло. Отчасти это связано, на мой взгляд, с настороженным отношением научного сообщества к немецким ученым, работавшим в Германии во время Второй мировой войны, – а ну как они занимались военными разработками. Подозрения эти имели под собой основания, и кому как не ученым из стран-победительниц было это знать – они сами во время войны именно этим и занимались. Должно было пройти много времени, чтобы затянулись раны войны. Руске в этом смысле повезло больше: он дожил до своей Нобелевской премии. Мюллер не дожил. Он скончался в 1977 году.

Заметим также, что сообщение Мюллера о получении изображения атома было встречено научным сообществом с изрядным скепсисом. Нет, против самой “картинки” никто не протестовал, она была принята как экспериментальный факт. Возражали против ее интерпретации. Фотография представляла собой довольно сложный симметричный узор, в центре которого располагался небольшой круг. Мюллер увидел в нем атом, то, что давно мечтал увидеть. У коллег, не разделявших его маниакальной страсти, были на этот счет другие мнения.

Более того, сообщение Мюллера возродило в среде физиков-теоретиков давний спор о том, можно ли вообще увидеть атом. Ведь электроны в атоме подчиняются законам квантовой механики и определить их точное местоположение невозможно. Атом – это зыбкое нечто, не имеющее четких границ, необходимых для формирования любого изображения. Отсюда следовал куда более глобальный вывод, что и манипулировать атомами, как частицами твердого тела, тоже невозможно. В 1959 году по этому поводу высказался гуру теоретической физики Ричард Фейнман (1918–1988): “Законы физики, насколько я их понимаю, не запрещают манипулирование атомами”. Это было “ощущение”, не подкрепленное никакими математическими выкладками, на которые горазды квантовые механики. Но уже в то время физики поняли, что ощущениям этого неординарного ума можно доверять, так что споры постепенно ушли в песок, так ничем и не разрешившись. Дело было отдано на откуп экспериментаторам.

А те продолжали работать. Следующий важный прорыв связан с именем американского исследователя Рассела Янга. Его путь в науку был долог. Юность Янга пришлась на Вторую мировую войну. Три года он прослужил в войсках противовоздушной обороны и лишь в 1953 году смог окончить Политический институт Ренсселира. Диссертацию защитил в Пенсильванском университете в 1959 году. Возможно, вы уже догадались, кто был его научным руководителем, – Эрвин Мюллер, который вообще воспитал очень много высококлассных специалистов. В 1961 году Янг перешел на работу в Национальное бюро стандартов, которое в США не только плодит бумаги, но и разрабатывает новые методы анализа и соответствующее оборудование. Янгу выпало заниматься изучением характеристик поверхности различных материалов. В 1969 году он вместе со своими сотрудниками Джоном Уордом и Фредериком Скайром сконструировал прибор, названный ими топографинером.

Янг объединил в одном устройстве принципы и элементы, опробованные в других описанных выше электронных микроскопах: зонд, сканирование, игла, туннелирование электрона. Но если для Мюллера игла была объектом исследования, то Янг превратил ее в инструмент исследования, в зонд, который перемещался над поверхностью анализируемого образца. На иглу подавали отрицательный потенциал и измеряли силу электрического тока между поверхностью и иглой, обусловленного полевой эмиссией электронов с кончика иглы. В ходе экспериментов Янг также обнаружил, что при приближении иглы к поверхности все больший вклад в электрический ток вносит туннелирование электронов. Этот эффект имеет квантовую природу и выражается в “перескоке” электрона с кончика иглы-зонда на поверхность образца. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и поверхностью и при изменении расстояния всего лишь от полутора до одного нанометра увеличивается в тысячи раз.

Впрочем, Янг установил лишь предварительный вид этой зависимости, над ним довлела другая проблема – как обеспечить точное позиционирование кончика иглы над поверхностью образца. Для этого он использовал пьезоэлементы, сделанные на основе кристаллов, способных изменять свои линейные размеры под действием электрического напряжения. Три таких пьезоэлемента обеспечивали перемещение иглы в трех направлениях с точностью до одной сотой нанометра – уму непостижимо!

Кроме того, Янг предложил оригинальную технику сканирования. Казалось бы, чего тут выдумывать, закрепи образец строго горизонтально и проведи над ним иглу. Но на любой поверхности неизбежно присутствуют выступы, о которые игла может сломаться, и ямки. Так как сила тока резко зависит от расстояния, то глубокие и мелкие ямки будут малоразличимы. Янг проводил иглу над поверхностью таким образом, чтобы сила электрического тока оставалась постоянной. Это обеспечивалось разработанной им системой обратной связи, которая непрерывно перемещала иглу в вертикальном направлении над поверхностью образца, поднимая ее над выступами и опуская над ямками. Траектория движения кончика иглы в точности повторяла профиль поверхности.

Дополнительные технические сложности привнесло использование сверхнизких температур и высокого вакуума. На решение всех проблем ушло два года, в 1971 году Янг представил работающий образец топографинера, который обеспечивал определение шероховатости поверхности с разрешением по вертикали в три нанометра. Этого было явно недостаточно, чтобы разглядеть атомы на поверхности, но Янг на это и не замахивался. Он планировал продолжить работы по совершенствованию прибора, но у его начальства на этот счет было другое мнение. Работы по топографинеру были свернуты, а Янга перебросили на создание калибровочных стандартов для микроэлектронной промышленности.