Чтение онлайн

Рорер и Бинниг избрали иной путь: они заставляли электроны туннелировать через вакуум. Основная идея их изобретения очень проста и состоит в том, чтобы сканировать поверхность твердого тела в вакууме с помощью кончика острой иглы: если между образцом и кончиком иглы приложено напряжение и расстояние между ними достаточно мало, то электроны туннелируют с острия иглы на образец. Сила туннельного тока зависит от расстояния между образцом и острием иглы и выражается вполне определенной формулой, зависящей от этого расстояния. Поэтому исследователи надеялись, водя иглой вдоль поверхности образца и измеряя ток, получить возможность «нанести на карту» расположение микроскопических (атомных размеров) холмов и долин на поверхности образца.

Как сказал позже Рорер: «Мы были совершенно уверены в успехе. С самого начала мы знали, что это будет важным продвижением вперед. Удивительно лишь то, что нам удалось так быстро достичь желаемого». Первое успешное испытание сканирующего микроскопа они провели уже весной 1981 г.: им удалось достичь разрешения «шероховатостей» на поверхности кристалла высотой всего лишь в один атом. (Понять важность и новизну чужого открытия, да еще принадлежащего незнакомым авторам, не всегда легко: рецензент журнала, куда Рорер и Бинниг послали первую статью, отверг ее как «недостаточно интересную».)

Самой большой трудностью в их работе была необходимость исключения всех источников колебаний и шумов: расстояние между острием и предметом должно контролироваться с точностью до доли диаметра атома. Поэтому даже шаги прохожих могут нарушить работу сканирующего микроскопа: его пришлось помещать на тяжелом каменном постаменте, изолированном от внешних шумов амортизаторами из сплющенных шин и т. п. Острие при этом перемещается пьезоэлектрическими устройствами, которые чутко реагируют на изменения управляющего напряжения.

Сканирующие микроскопы были затем усовершенствованы и миниатюризированы, сейчас это стандартный лабораторный прибор небольшого размера (десятки сантиметров). Он позволяет разрешать по вертикали детали размером в 0,1 ангстрема (1 ангстрем равен 10– 10 м), т. е. в одну десятую диаметра атома водорода. Разрешающая способность сканирующего острия шириной всего в несколько атомов позволяет разрешать детали в горизонтальной плоскости размером не более 2 ангстремов, а в настоящее время удается изготовлять острия шириной всего лишь в 1 атом.

Отметим, что сканирующий туннельный микроскоп, помимо вакуума, работает и в других средах, в том числе в воздухе, воде и криогенных жидкостях. Он применяется для исследования не только неорганических, но и органических веществ, в том числе вирусов и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Критерий Аббе, о котором мы говорили выше, или соответствующие ему критерий Рэлея и принцип неопределенностей Гейзенберга — все они утверждают, что невозможно рассмотреть объект, размеры которого меньше длины волны.

Но вот в 1928 г. в старейшем английском физическом журнале Philosophical Magazine появляется статья некоего Синга, в которой приводятся его снимки — не очень высокого, правда, качества — деталей предметов с размерами, в 3–5 раз меньшими длины волны!

Нонсенс? — Но статью рекомендует к печати А. Эйнштейн!

Следующую статью с чуть лучшими снимками Синг помещает в том же журнале в 1932 г., но затем замолкает. И молчание по поводу возможности или невозможности такого разрешения продолжается примерно 65 лет — точнее, все эти годы никто не подвергает сомнению критерий Аббе и ему соответствующие.

И вдруг прорыв: в ряде журналов почти одновременно начинают появляться снимки, нарушающие, казалось бы, самые святые положения теории, проводятся конференции, даже издаются учебники и начинается промышленный выпуск оптических микроскопов, в которых можно фотографировать большие молекулы. Сейчас можно увидеть снимки деталей, в 300 раз меньших длины волны света…

Что же происходит, нарушаются ли этим законы физики?

Оказывается, в течение многих десятилетий ученые обращали очень мало внимания на факт, давно известный в радиотехнике: поле излучения антенны можно, весьма условно, подразделить на две части: дальнее поле и ближнее поле. Уравнения Максвелла описывают, в принципе, дальнее поле: на расстоянии одной или даже нескольких длин волн от источника — именно в этой области электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны, именно оно убывает обратно пропорционально расстоянию от источника и т. д. Ближнее поле быстро затухает в отдалении от источника, оно, в принципе, аналогично, а быть может, и просто соответствует той «шубе» частиц (и антенн?), которые мы рассматриваем в главах о частицах и полях.

Поэтому можно думать, что если дальнее поле волны проквантовано, т. е. представлено в виде совокупности квантов с определенными свойствами, то ближнее поле не является квантовым, или же в нем нельзя выделить определенные наборы квантов, т. е. в нем присутствуют при данной частоте все длины волн — эта проблема еще не решена. Но если есть все длины волн, то они могут отражать свойства малых деталей предметов.

Снимки в ближнем поле производятся, например, так: световод с заостренным кончиком подводится к снимаемому объекту на расстояние меньшее длины волны, т. е. на такое, в котором выходящее из него поле не разделилось на ближнее и дальнее. Рассматривается интерференционная картина между потоками света, выходящими из световода и отраженными от поверхности, эта картина фотографируется и добавочно увеличивается. (Исследуются и другие схемы.)

Сейчас можно только сказать, что область ближнего поля и ее возможности в микроскопии пока еще недостаточно изучены. Подождем новых исследований и изобретений…

Зарождение радиотехники потребовало создания детектора, т. е. устройства, пропускающего электрический ток только в одном направлении. Дело в том, что обычная радиопередача идет на волнах высокой (несущей) частоты, амплитуда или фаза которых меняются (модулируются) гораздо более низкой звуковой частотой. Поэтому ток, генерируемый на антенне приемника, является высокочастотным, и нужно сперва выделить из него колебания одного направления, а затем уже можно будет по одной линии пустить колебания высокой частоты (несущей), а по другой — полезный сигнал.

В первых радиоприемниках, их называли детекторными, такое выделение осуществлял обычно кристалл галенита (свинцового блеска) — его припаивали к одному концу цепи, а ко второму присоединяли иголку («кошачий ус») и, двигая ею по кристаллу, искали «точку», то есть место, в котором электроны могли проходить только в одну сторону, и тогда в наушниках возникал долгожданный шум, а иногда даже речь и музыка [46] .

Однако ламповые диоды, основанные на эффекте Эдисона, о которых мы говорили в главе «Электротехника и радиотехника», были надежнее, а звуковые колебания могли в таких приемниках усиливаться триодами. Казалось, что ламповая электроника одержала бесспорную и окончательную победу.

Но со временем стали ясны и ее недостатки: лампы были громоздкими, срок их службы — сравнительно коротким, а для подогрева катодов требовался дополнительный расход энергии, кроме того, стеклянные баллоны были хрупкими.

По-видимому, первыми взялись за создание нового типа электроники Уильям Шокли (1910–1989), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Джон Бардин (1908–1991). Они и разделили Нобелевскую премию 1956 г. (Вторую Нобелевскую премию по физике Бардин получил в 1972 г. за теорию сверхпроводимости.)