Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kvant.mccme.ru/pdf/1999/05/13.pdf Дата изменения: Fri Dec 23 19:25:26 2005 Дата индексирования: Tue Oct 2 00:10:38 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: п п п п п п п р п р п р п р п

ЗАКОН

ОМА

ДЛЯ

РАЗОМКНУТОЙ

ЦЕПИ

И...

ТУННЕЛЬНЫЙ

МИКРОСКОП

13

соты, изображение в туннельном микроскопе будет двоиться туннелирование будет происходить с обеих вершин в равной степени. Итак, как же получается изображение поверхности в сканирующем туннельном микроскопе? Между иглой и исследуемым образцом прикладывается небольшая разность потенциалов, например 50 мВ. Игла микроскопа, помещенная на пьезосканере, совершает над образцом движение, подобное лучу в телевизоре движется последовательно по линиям-строчкам, образуя полный кадр. Это движение обеспечивается напряжением, прикладываемым к Xи Y-электродам пьезосканера. При этом (что очень важно) игла движется и по третьей координате Z, причем так, чтобы величина туннельного тока была постоянной. Движение иглы подобно полету крылатой ракеты над поверхностью земли ракета летит над местностью, отслеживая ее рельеф таким образом, что высота полета поддерживается постоянной. В микроскопе поддерживается постоянной величина туннельного тока, а для однородного по составу образца это соответствует и постоянному зазору между иглой и поверхностью образца. (Аналогия между полетом крылатой ракеты и движением иглы оказалась настолько близкой, что в микроскопе удалось применить электронную систему, аналогичную той, что использовалась в крылатых ракетах. Так в 1987 году и поступили американские ученые из Санты-Барбары, построив электронику микроскопа на специальном и очень умном процессоре, предназначенном для обработки аналоговых сигналов и построения следящих систем. В то время в американской промышленности, так же, как и в российской, были ярко выражены конверсионные тенденции, заключающиеся в применении военных технологий для мирных целей. Созданный таким образом туннельный микроскоп, получивший название 'Nanoscope-2', является удачным примером конверсии.) Изображение поверхности в микроскопе отображают на экране монитора в ярких красках и специально подобранной цветовой палитре при этом искусство графики и умение физики идут рядом. Современный туннельный микроскоп для научных, прикладных или
4 Квант ? 5

учебных целей это небольшой и компактный прибор (размером с лабораторный оптический микроскоп). Вся его управляющая электроника занимает места не больше обычного вольтметра. А вот мониторы лучше использовать с большим экраном и высокого качества. Быстродействующий компьютер позволяет оперативно осуществлять обработку изображений например, строить трехмерные образы поверхностей, поворачивая их под разными углами, меняя цвета изображения и используя различные графические эффекты. Мы начали статью с закона Ома. Так что же, справедлив этот закон для туннельного перехода или нет? Ответ да! Особенность в том, что зависимость сопротивления туннельного перехода от расстояния обратна соответствующей зависимости туннельного тока: R(z) = U/I(z), где z расстояние между проводниками (величина зазора туннельного перехода). Сканирующий туннельный микроскоп применяют не только для того, чтобы визуализировать поверхность образца, увидеть отдельные атомы или молекулы. Туннельный микроскоп стал тем прибором, с помощью которого можно модифицировать поверхность, 'перекатывая' по ней с помощью иглы отдельные атомы. (Эти эксперименты, правда, необходимо проводить при температурах около абсолютного нуля.) Швейцарский ученый Энгл, например, таким образом 'написал' название фирмы, на которой был изобретен туннельный микроскоп, слово IBM, составив его из отдельных атомов ксенона на поверхности никеля. При этом для буквы I он использовал всего девять атомов ксенона, а для букв B и M по тринадцать. Примечание 1
Первоначальная формулировка закона, установленного Омом, существенно отличалась от привычной современной. В своих экспериментах немецкий ученый применял оригинальную конструкцию гальванометра: две термопары, поддерживаемые при разных температурах, и набор проволочек одинакового поперечного сечения. Он определил, что угол поворота стрелки гальванометра зависит от длины выбранной проволочки Х следующим образом:
= X+

Константа зависела от длины подводящих проводов и типа термопар, а величина определялась разницей в нагреве термопар и была названа ученым 'возбуждающей силой'. Благодаря последовательным усилиям Джоуля, Фарадея и Кирхгофа, величины в законе Ома получили новую интерпретацию. Стало ясно, что вместо угла поворота стрелки гальванометра должна фигурировать величина электрического тока I и что 'возбуждающая сила' это по сути дела разность электрических потенциалов . А в знаменателе нужно записывать полное сопротивление цепи, состоящей из сопротивления выбранной проволоки, соединительных проводов и внутреннего сопротивления термопар: I= . RX + R Как часто бывает, первый шаг в развитии физической идеи является определяющим, и поэтому мы знаем не закон ОмаДжоуляФарадеяКирхгофа, а закон, носящий имя одного ученого. Искусство экспериментатора и мастерство теоретика позволили Ому установить новый физический закон, а 155 лет спустя те же качества, присущие Биннигу и Рореру, позволили увидеть атомы с помощью созданного ими сложного прибора, который в упрощенной аналогии состоит из источника напряжения, измерителя тока и двух проводников образца и иглы.

Примечание 2
За эффекты, связанные с появлением туннельного тока, неоднократно присуждались различные премии, в том числе и Нобелевские. В 1973 году Нобелевская премия по физике была присуждена Лео Эсаки за открытие явления туннелирования в твердых телах и Айвару Живеру за экспериментальное исследование явления туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках. Вторую половину премии присудили Брайану Джозефсону за теоретические исследования по сверхпроводимости и туннелированию, в частности за открытие явления, получившего название эффекта Джозефсона. В 1986 году Нобелевскую премию по физике получили Герд Бинниг и Генрих Рорер за изобретение сканирующего туннельного микроскопа. На основании своего открытия Эсаки изобрел туннельный диод, который применяется вместо радиоламп в высокочастотных генераторах. На основе эффекта Джозефсона построены стандарты частоты и чувствительные измерители магнитного поля. Сканирующие туннельные микроскопы, изобретенные Биннигом и Рорером, работают в научных и производственных лабораториях всего мира.

.