Книга: Квант
Назад: Квантовая механика и генетические мутации
Дальше: Атомная инженерия и нанотехнологии
Назад: Квантовая механика и генетические мутации
Дальше: Атомная инженерия и нанотехнологии
Микроскопы для наблюдения за атомами
К началу 1930-х годов развитие оптических микроскопов – таких микроскопов, которые направляют свет на образец посредством системы линз, – достигло потолка. Длина волны видимого света ограничила максимальное приближение примерно до 1000× (а разрешающую способность – до долей микрона). Желание рассмотреть в живых клетках более мелкие детали привело ученых к мысли об использовании гораздо более коротких волн. Здесь и оказалась полезной квантовая волновая природа электронов. Длины волн материи, соответствующих пучкам электронов, существенно меньше длин волн видимого света. Первый электронный микроскоп был разработан в Германии в 1931 году и использовался для направления пучка электронов для исследования строения и состава образцов. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) работает по тому же принципу, что и диапроектор, где часть пучка проходит сквозь образец, в результате чего его изображение проецируется на экран.
После Второй мировой войны появился новый тип электронного микроскопа, так называемый растровый электронный микроскоп (РЭМ). Он сканирует поверхность образца электронным пучком. Изображение поверхности формируется путем сбора и усиления электронов, которые отскакивают от образца или выбиваются из него.
Успехи в области микроскопии привели к тому, что сегодня разрешение позволяет разглядеть отдельные атомы. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), впервые разработанный в начале 1980-х, предполагает скольжение острой проводящей металлической иглы над поверхностью образца. Электроны получают возможность осуществлять квантовое туннелирование сквозь промежуток на поверхность образца, а вырабатываемый таким образом измеряемый электрический ток соответствует ширине промежутка, а следовательно, и положению атомов на поверхности образца.
Принципиальным недостатком СТМ является то, что образец тоже должен быть очень хорошим электрическим проводником, причем изучаемые пробы необходимо подготавливать определенным образом. К 1989 году был разработан первый поступивший в продажу атомно-силовой микроскоп (ACM). Хотя такие микроскопы используют сходную технику сканирования с применением острой иглы для зондирования и описания поверхности образца, они не регистрируют туннелирование электронов, а задействуют очень чувствительную пружину, которая чуть прижимает иглу к поверхности образца. Используемая для удержания иглы на месте при ее скольжении по неровной поверхности сила сравнима с внутриатомными силами (и составляет примерно 10-9 Ньютона), поэтому микроскоп и называется атомно-силовым.
В наши дни сканирующая микроскопия с использованием СТМ и АСМ применяется не только для получения изображений поверхностей образцов. Физики и химики в состоянии использовать зонд для контролируемого перемещения молекул и даже отдельных атомов. В настоящее время разрабатываются новые техники, которые применяются в целом спектре сфер, от биологии до полупроводников, от хранения данных до изучения атомной структуры полимеров и кристаллов. В будущем зонды СТМ, возможно, будут использоваться даже для построения целых массивов крошечных молекулярных машин, Священного Грааля процветающей сферы нанотехнологий.

Зонд СТМ сканирует поверхность материала, позволяя электронам туннелировать сквозь промежуток и генерировать электрический ток, который дает описание контуров поверхности. Такой зонд можно использовать даже для контролируемого перемещения атомов по поверхности.
- 1. Джим Аль-Халили Квант
- 2. Введение
- 3. Глава 1. Фокус природы
- 4. Фуллерены и эксперимент с двумя прорезями
- 5. Глава 2. Истоки
- 6. Постоянная Планка
- 7. Излучение черного тела
- 8. Эйнштейн
- 9. Частицы света
- 10. Двойственная природа света
- 11. Нобелевская премия Эйнштейна
- 12. Бор: физик, философ, футболист
- 13. В дело вступает французский герцог
- 14. Глава 3. Вероятность и случай
- 15. Вы верите в судьбу?
- 16. Результат игры в пул
- 17. Квантовая непредсказуемость
- 18. Обводящие удары
- 19. Анатомия уравнения
- 20. Самое важное уравнение физики
- 21. Что происходит, когда мы не смотрим?
- 22. Принцип неопределенности Гейзенберга
- 23. Ядерные облака
- 24. Золотые годы квантовой механики
- 25. Радиоактивный распад
- 26. Глава 4. Причудливые связи
- 27. Суперпозиция
- 28. «Объяснение» фокуса с двумя прорезями
- 29. Квантовые интерферометры
- 30. Нелокальность
- 31. Запутанность
- 32. Эксперимент ЭПР
- 33. Квантовый похититель драгоценностей
- 34. ЭПР-парадокс и теорема Белла
- 35. Квантовая хаология
- 36. Глава 5. Наблюдатели и наблюдаемое
- 37. Что видишь, то и получишь
- 38. Гамма-микроскоп Гейзенберга
- 39. «А потом происходит еще кое-что»
- 40. Кот Шрёдингера
- 41. Не говори, какой счет
- 42. Два этапа проблемы измерения
- 43. Декогеренция
- 44. Решает ли декогеренция проблему измерения?
- 45. Глава 6. Великий спор
- 46. Формализм против интерпретации
- 47. Копенгагенская интерпретация
- 48. Нужна ли теории интерпретация?
- 49. Интерпретация де Бройля – Бома
- 50. Многомировая интерпретация
- 51. Что еще есть на рынке?
- 52. Где мы сейчас?
- 53. Квантовая реальность с позиции де Бройля и Бома
- 54. Глава 7. Субатомный мир
- 55. Таинственные лучи повсюду
- 56. Внутрь атома
- 57. Квантовый спин
- 58. Внутрь ядра
- 59. Принцип исключения Паули
- 60. Создание частиц из воздуха
- 61. Ядерные взаимодействия
- 62. Антивещество
- 63. Квантовое туннелирование
- 64. Кварки
- 65. Элементарные компоненты
- 66. Глава 8. В поисках теории всего
- 67. Квантовая теория света
- 68. Калибровочные теории и симметрии
- 69. Цветная сила
- 70. Великое объединение
- 71. Что насчет гравитации?
- 72. Урок Планка
- 73. Теория струн
- 74. Урок Эйнштейна
- 75. Подчеркивая отрицание
- 76. Глава 9. Применение кванта
- 77. Эпоха микрочипа
- 78. Отличная идея ищет применение
- 79. Магниты размером с дом
- 80. Непрерывное электричество
- 81. Энергия из ядер
- 82. Квантовая механика в медицине
- 83. Квантовая механика и генетические мутации
- 84. Микроскопы для наблюдения за атомами
- 85. Атомная инженерия и нанотехнологии
- 86. Конденсаты Бозе – Эйнштейна
- 87. Квантовая механика и биология
- 88. Глава 10. В новое тысячелетие
- 89. Умные эксперименты
- 90. Как отследить атом
- 91. Наблюдая декогеренцию в действии
- 92. Рекордная запутанность
- 93. Квантовая криптография
- 94. Закон Мура
- 95. Кубиты
- 96. Так на что способен квантовый компьютер?
- 97. Квантовые вычисления
- 98. Квантовые логические вентили
- 99. Квантовое клонирование
- 100. Как построить квантовый компьютер
- 101. Квантовый мозг
- 102. Квантовая телепортация
- 103. Литература для дополнительного чтения
- 104. Авторы иллюстраций
- 105. Благодарности
- 106. Примечания
- 107. 1
- 108. 2
- 109. 3
- 110. 4
- 111. 5
- 112. 6
- 113. 7
- 114. 8
- 115. 9
- 116. 10
- 117. 11
- 118. 12
- 119. 13
- 120. 14
- 121. 15
- 122. 16
- 123. 17
- 124. 18
- 125. 19
- 126. 20
- 127. 21
- 128. 22
- 129. 23
- 130. 24
- 131. 25
- 132. 26
- 133. 27
- 134. 28
- 135. 29
- 136. 30
- 137. 31
- 138. 32
- 139. 33
- 140. 34
- 141. 35
- 142. 36
- 143. 37
- 144. 38
- 145. 39
- 146. 40
- 147. 41
- 148. 42
- 149. 43
- 150. 44
- 151. 45
- 152. 46
- 153. 47
- 154. 48
- 155. 49
- 156. 50
- 157. 51
- 158. 52
- 159. 53
- 160. 54
- 161. 55
- 162. 56
- 163. 57
- 164. 58
- 165. 59
- 166. 60
- 167. 61
- 168. 62
- 169. 63
- 170. 64
- 171. 65
- 172. 66
- 173. 67
- 174. 68
- 175. 69
- 176. 70
- 177. 71
- 178. 72
- 179. 73
- 180. 74
- 181. 75
- 182. 76
- 183. 77
- 184. 78
- 185. 79
- 186. 80
- 187. 81
- 188. 82
- 189. 83
- 190. 84
- 191. 85
Комментариев: 0