Созданы "атомарные" датчики, которые станут новым "окном" в наноразмерный мир - «Наука и технологии»

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.

"На наноразмерном уровне между отдельными атомами возникает множество различных видов взаимодействий" - рассказывает Аня Джейич, - "Мы должны изучить и понять, как работают все эти взаимодействия. Обладая подобными знаниями, мы сможем спрогнозировать как материал поведет себя в тех или иных условиях, и только после этого можно будет начинать думать о практическом использовании определенных материалов и возникающих в них явлений".