Момент, когда исследователи компании IBM в 1981 году
разработали и испытали первый сканирующий туннельный микроскоп (Scanning
Tunneling Microscope, STM), позволяющий производить съемку поверхности с
уровнем детализации до отдельных атомов, стал революционным моментом для многих
областей науки и техники. Многие эксперты полагают, что именно это изобретение
послужило толчком к началу развития абсолютно новой области - области
нанотехнологий. А недавно исследователи из Калифорнийского университета в
Санта-Барбаре закончили разработку микроскопа следующего поколения, который за
счет использования магнетизма на уровне отдельных атомов способен получать
высококачественные изображения наноразмерных объектов в широком диапазоне
температуры окружающей среды.
"Сердцем" этого нового микроскопа является
датчик на основе единственного атома, а если быть точнее, дефекта, связанного с
отсутствием в кристаллической решетке одного атома.
В качестве чувствительного элемента нового датчика
является так называемая азотная вакансия (nitrogen-vacancy, NV), дефект в
монокристалле алмаза. Этот дефект создается путем искусственной замены в
кристаллической решетке одного атома углерода атомом азота, и его наличие
приводит к нарушению структуры кристаллической решетки. Наличие атома азота
приводит к тому, что рядом с ним возникает пустующее место, заполненное в
нормальном кристалле атомом углерода.
Наличие дефекта азотной вакансии позволяет использовать
его для детектирования некоторых физических явлений, в частности, магнетизма.
Такой сверхчувствительный магнитный датчик на основе NV-дефекта, позволяет
измерить величину магнитного поля путем измерения величины фотолюминесценции,
излучения света в районе дефекта. Для того, чтобы превратить такой датчик в
микроскоп, ученые создали структуру, напоминающую зубную щетку. Каждая
волосинка этой "зубной щетки" представляет собой алмазную иголку с
одним NV-дефектом на ее конце.
"Этот микроскоп является первым инструментом его
вида" - рассказывает Аня Джейич (Ania Jayich), профессор из
Калифорнийского университета, - "Все это работает, начиная от комнатной
температуры и заканчивая сверхнизкими температурами, в условиях которых
возникает множество интересных физических явлений и явлений связанных с
квантовой механикой. Когда энергия теплового движения достаточно низка, на
первый план выходят явления, к примеру, электронные взаимодействия, которые
ранее были "закопаны" в тепловых шумах. И это позволяет нам получить
беспрецедентный уровень пространственной разрешающей способности".
Для проверки работоспособности нового микроскопа ученые
провели исследования поверхности полупроводникового материала, содержащего
упорядоченные магнитные структуры, которые являются центрами концентраций
изменений направления и силы магнитных потоков в материале. И новый датчик
позволил увидеть отдельные "вихри" этих изменений, т.е. сделал то,
что раньше не удавалось сделать при помощи любых других датчиков.
В скором времени исследователи из Калифорнийского
университета планируют проникнуть при помощи нового микроскопа в мир магнитных
скирмионов, мир вращающихся магнитных образований, возникающих в тонких пленках
некоторых материалов. Эти скирмионы рассматриваются в качестве перспективных
носителей информации для устройств магнитного хранения данных нового поколения.
И высокая разрешающая способность нового микроскопа позволит ученым изучить все
процессы и явления, связанные с взаимодействиями скирмионов в материале.
