Ученые IBM первыми измерили значение силы, требуемой для перемещения отдельных атомов

29.02.08

Возможности технической инженерии на наноуровне продолжают определять будущее направление развития информационных технологий.

САН-ХОСЕ, штат Калифорния, 21 февраля 2008 года. – Ученые IBM (NYSE: IBM) при участии своих коллег из Университета Регенсбурга (University of Regensburg) в Германии впервые измерили значение силы, которую требуется приложить к отдельным атомам для их перемещения по поверхности вещества. Созданная методика измерения, которую по праву можно отнести к фундаментальному научному достижению, позволяет получать информацию, необходимую для проектирования устройств на атомном уровне – миниатюрных компьютерных микросхем, устройств хранения данных и многого другого.

Около двадцати лет назад в Альмаденском научно-исследовательском центре IBM (IBM Almaden Research Center) в Сан-Хосе, в расположенной на холмах Кремниевой долины небольшой лаборатории, оснащенной высокотехнологичным оборудованием, ученому Дону Айглеру (Don Eigler) – нынешнему обладателю титула IBM Fellow, знака высочайшего признания в области высоких технологий, которым IBM награждает своих новаторов – удалось достичь важного поворотного пункта на пути человечества к конструированию микроструктур. 29 сентября 1989 года он впервые в истории продемонстрировал способность манипулировать отдельными атомами с точностью атомарного уровня, составив из отдельных атомов ксенона буквы «I-B-M» на поверхности вещества. Благодаря своему научному достижению Дон Айглер поистине уподобился братьям Райт, совершившим первый в истории полет на аэроплане в городке Китти-Хок (Kitty Hawk), штат Северная Каролина).

В наши дни новое поколение исследователей в той же самой лаборатории, при поддержке своих коллег из Университета Регенсбурга, добилось очередного чрезвычайно важного успеха на этом пути – они измерили величину силы (очень малую по своему значению), необходимую для манипулирования атомами. Описание этого революционного достижения опубликовано сегодня в журнале Science («Наука»).

Понимание того, какие усилия требуются для перемещений атомов определенного вещества по поверхности другого определенного вещества, является одним из ключевых факторов при проектировании и построении миниатюрных структур, которые будут служить основой будущих нанотехнологий. С подобной проблемой ученые и инженеры уже сталкивались много десятилетий назад, когда решали задачи создания различных конструкций на макроскопическом уровне. Так, строительство современного моста было бы невозможно без предварительных расчетов прочностных характеристик применяемых материалов и глубокого понимания процессов, происходящих в этих материалах при приложении к ним сил различной величины, направления и интенсивности, а также процессов, происходящих при взаимодействии этих материалов между собой. В области нанотехнологий – если вы хотите создать устойчивые жесткие структуры – вы должны использовать «крепко связанные» друг с другом (как бы склеенные между собой) атомы, тогда как для групп атомов, которые необходимо перемещать, вы должны использовать атомы, удерживающиеся на месте только за счет слабых химических связей.

«Это достижение позволит получать важнейшую информацию, необходимую для проектирования и производства структур атомарного масштаба, что, в свою очередь, будет способствовать приближению эры сверхминиатюрных устройств хранения данных и модулей памяти, – говорит Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich), ведущий ученый лаборатории исследований с использованием сканирующего туннельного микроскопа центра IBM Almaden Research Center. – Наша миссия состоит в создании основы для того, что когда-нибудь может быть названо «IBM nanoconstruction company» – наностроительной компанией IBM».

В статье, озаглавленной «The Force Needed to Move an Atom on a Surface» («Сила, необходимая для перемещения атома по поверхности вещества»), ученые приводят полученные результаты измерений, сообщая, в частности, что для перемещения атома кобальта по гладкой поверхности платинового образца требуется приложить силу в 210 пН (пиконьютон), тогда как для перемещения атома кобальта по поверхности медного образца нужна сила лишь в 17 пН. Таким образом – переводя эти результаты на макроскопический уровень – чтобы «сдвинуть с места» медную одноцентовую монетку весом всего в 3 грамма, нужно приложить силу, равную не менее 30 млрд. пН, что в 2 млрд. раз превышает силу, необходимую для перемещения одного атома кобальта по медной поверхности.

Знание этой информации будет способствовать глубокому пониманию процессов, происходящих на атомарном уровне – в «рабочей среде» будущих нанотехнологий – стимулируя прогресс в области сверхминиатюрных компьютерных устройств и медицинский приборов. Согласно знаменитой тенденции развития вычислительного оборудования (широко известной как закон Мура), число неуклонно уменьшающихся в размерах транзисторов, которые могут быть размещены на интегральной микросхеме, растет в геометрической прогрессии. Благодаря уменьшению размеров транзисторов снижается их энергопотребление и, как следствие, стоимость, а быстродействие повышается. Одна из самых насущных проблем ИТ-индустрии – постоянный поиск эффективных конструктивных и производственных методов, позволяющих создавать эти устройства все меньших и меньших размеров.

Миниатюризация этих устройств до своего окончательного предела – размеров в несколько атомов – требует применения полностью новых производственных процессов и подходов к конструированию. Способность точно измерять усилия, необходимые для перемещения атомов, открывает новые возможности в проектировании и производстве будущих наноустройств.

ОСВЕДОМЛЕННОСТЬ О ВЕЛИЧИНЕ СИЛЫ, НЕОБХОДИМОЙ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ АТОМА

Еще полстолетия назад Нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard Feynman) заинтересовался тем, что должно произойти, когда мы сможем «по собственному желанию» точно позиционировать (или, иными словами, располагать в нужном месте) отдельные атомы. Его мечта о такой способности становится реальностью, и в наши дни «контролируемое манипулирование атомами» широко используется в исследованиях по созданию, тестированию и управлению объектами на атомарном уровне. Тем не менее, фундаментальный вопрос – какую силу надо приложить для перемещения атома на поверхности вещества? – не был экспериментально решен вплоть до самого последнего времени.

В опубликованной сегодня статье группа исследователей описывает то, как они использовали т.н. атомно-силовой микроскоп (Atomic Force Microscope, AFM) для измерения как величины, так и направления (вектора) силы воздействия на атом или молекулу тончайшей иглы микромеханического зонда для перемещения этого атома или молекулы по поверхности образца вещества. Ученые обнаружили, что величина силы варьируется в широких пределах в зависимости от конкретного вещества, используемого в качестве опытной поверхности. Величина силы также в значительно степени зависит от того, к чему она прикладывается для манипулирования – к одиночному атому или небольшой молекуле.

Сегодняшнее научное достижение сочетает в себе две методики высочайшего уровня точности и эффективности – измерение значений силы и перемещение атомов/молекул на поверхности вещества. Эта работа основывается на многолетнем опыте исследований и разработок IBM в области атомно-силовой микроскопии – AFM-микроскоп был изобретен более 20 лет назад Нобелевским лауреатом и обладателем титула IBM Fellow Гердом Биннигом (Gerd Binnig), ученым из IBM Кристофом Гербером (Christoph Gerber) и профессором Стэнфордского университета Келвином Квейтом (Calvin Quate).

Атомно-силовой микроскоп использует зонд в виде сверхтонкой иглы, вмонтированный в гибкую конструкцию манипулятора, которая позволяет осуществлять взаимодействие между иглой зонда и атомами на поверхности вещества, и измерять параметры этого взаимодействия. В описываемом опыте эта гибкая конструкция была оборудована миниатюрным кварцевым резонатором – по типу эталонного генератора стабильной частоты, широко используемого в настольных и наручных часах. Когда игла зонда позиционировалась в непосредственной близости от атома на поверхности образца, частота кварцевого генератора изменялась в небольших пределах. Это изменение частоты можно проанализировать для определения силы, приложенной к атому. «Поразительно, что этот инструмент, в котором используется кварцевый генератор от обычных часов, может быть применен для измерения сил между отдельными атомами», – говорит профессор Франц Гиссибл (Franz Giessibl) из Университета Регенсбурга.

О ДОСТИЖЕНИЯХ IBM В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Корпорация IBM является пионером в нанотехнологиях. Среди многочисленных достижений IBM в этой области: изобретение сканирующего туннельного микроскопа (Scanning Tunneling Microscope, STM), способного отображать отдельные атомы; контролируемые манипуляции с одиночными атомами, размещенными на поверхности вещества (впервые в мире); встраивание субнанометровых слоев материала в считывающие/записывающие головки серийных дисковых накопителей и в магнитное покрытие самих дисков. Текущие исследования IBM в области нанотехнологий направлены на изобретение новых структур атомарного и молекулярного масштаба и разработку методов совершенствования существующих информационных технологий, а также проведение дальнейших фундаментальных научных исследований. В частности, логические элементы на основе углеродных нанотрубок, полученных с помощью щупов сканирующих головок микроскопов AFM и STM, обладают огромным потенциалом для кардинального улучшения интегральных схем и модулей памяти.

Более подробную информацию можно получить на Web-сайте www.ibm.com (US).

Источник: «IBM Новости»