Если когда научному сообществу и требовались доказательства реальности нанотехнологии, Дон Айглер и Эрхард Швайцер привели такое доказательство в выпуске Nature от 5 апреля 1990 года. Ученые, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, использовали сканирующий туннельный микроскоп для перемещения по металлической поверхности индивидуальных атомов. Таким образом они создали, возможно, самый популярный образ нанотехнологии - буквы IBM, написанные на никелевой поверхности 35 атомами ксенона.
Ученые десятилетиями изучали атомы и субатомные частицы внутри них, но увидеть отдельные атомы настолько четко - и даже перемещать их! - совсем другая задача. Статья в Nature продемонстрировала, что средствами нанотехнологии можно контролировать материалы на наноуровне, атом за атомом. И если назвать Айглера и Швайцера как героев апреля 1990 года, нужно упомянуть и третьего героя: сканирующий туннельный микроскоп.
Научные приключения, приведшие к прорыву ученых, длились до того как минимум 35 лет. 11 октября 1955 года в Пенсильванском университете Эрвин Мюллер с использованием полевого ионного микроскопа, охлажденного до температуры жидкого азота, зафиксировал изображение решетки вольфрама, в которой были видны индивидуальные атомы.
Еще один герой этого приключения - Рассел Янг, который изобрел топографайнер в ходе своей работы в Национальном бюро стандартов США. Прибор состоял из вольфрамового полевого излучателя, закрепленного на пьезоэлектрической платформе. При помещении излучателя на расстояние около 3 нм от поверхности образца появлялся электрический ток, что приводило к высвобождению с поверхности электронов и фотонов. Пара детекторов использовалась для фиксации этих электронов и фотонов при движении излучателя вдоль поверхности при зафиксированном расстоянии между излучателем и поверхностью, что позволило превратить эти измерения в трехмерную картинку поверхности. Обычно вертикальное разрешение составляло 3 нм, но иногда топографайнеру удавалось достичь разрешения до 0.3 нм (чего вполне достаточно, чтобы фиксировать ступеньки на поверхности высотой в один атом). Однако у топографайнера было два ограничения: 1. он не мог видеть отдельные атомы и 2. высокое требуемое напряжение иногда повреждало поверхность.

Глядя на отдельные атомы

первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1981 году Гердом Биннигом и Хайнрихом Рорером, которые хотели изучить атомную поверхность более детально, чем было возможно в то время. Бинниг и Рорер, работавшие в лаборатории IBM в Цюрихе, поместили ультратонкий зонд на поверхность пьезоэлектрика, подвели конец зонда на расстояние порядка нанометра от поверхности и приложили напряжение, заставляя электроны из зонда туннелировать к образцу. Туннельный ток был очень чувствителен к расстоянию между зондом и поверхностью, поэтому по изменению этого тока при движении зонда вдоль поверхности позволило увидеть такие малые объекты, как атом.
Развитие топографайнера подошло к концу в 1970-х годах. Полевой ионный микроскоп до сих пор играет в микроскопии важную роль, но СТМ и его младшая сестричка, атомно-силовой микроскоп (АСМ), сегодня делают всю самую тяжелую работу в области наноизображений.
На момент выпуска своей статьи в августе 1985 года в Scientific American Бинниг и Рорер описывали свое изобретение только как устройство визуализации , а не инструмент для перемещения отдельных атомов. Статьи о том, что с помощью СТМ можно перемещать объекты на наноуровне, начал писать в 1985 году инженер из Аризоны Конрад Шнайкер. Он назвал СТМ машиной Фейнмана , поскольку он думал, что это поможет исполнить идею Фейнмана по точному контролю отдельных атомов и молекул. В декабре 1986 года Бинниг и Рорер включили в свою нобелевскую лекцию небольшое рассуждение о том, что СТМ может стать машиной Фейнмана .
Оставалось недолго до демонстрации возможностей СТМ по перемещению атомов. В январе 1987 года, спустя месяц после получения Биннигом и Рорером Нобелевской премии, Рассел Бекер с коллегами из лаборатории Белла объявили, что с использованием зонда СТМ им удалось модифицировать на атомном уровне поверхность германия. Этот поверхностный бит , по их словам, представлял собой наименьшее на сегодняшний пространственное переупорядочение атомов на поверхности , хотя происхождение такого поверхностного бита оставалась неясной.
Затем, в 1988 году, Джозеф Фостер из IBM объявили, что с помощью СТМ могут приколоть отдельную органическую молекулу на поверхность углерода, а также удалять другие молекулы с такой поверхности. Манипуляция на наноуровне вышла на финишную прямую.

Двигая атомы

28 сентября 1989 года Айглер переместил атом ксенона туда и сюда между двумя дефектами на поверхности платины. В своем лабораторном журнале за тот день под заголовком Впервые контролируем движение атома Айглер написал Получилось , Получилось и Опять получилось! 3 в ряд. Хотя отдельный атом и был передвинут, визуализация на платиновой поверхности была затруднена. Айглеру нужна была поверхность, на которой было бы ясно видно, что он достиг атомного разрешения в позиционировании.
Поферхность кристаллического (110) никеля, полученная коллегой Айглера Джо Штором, решила эту проблему. 9 и 10 ноября 1989 года Айглер и Швайцер, ученый, приехавший с визитом из Берлина, охладили камеру СТМ до 4 К и поместили на никелевую поверхность атомы ксенона. После размещения случайным образом атомов ксенона, они подвели зонд СТМ ближе, чем обычно требовалось для визуализации, что позволило приклеить атом к к зонду, перенести вдоль поверхности к нужному месте и отсоединить в этом месте. После того, как они проделали это с 35 атомами ксенона, по одному за раз, в течение 22 часов, атомами было выложено слово IBM. Они назвали это первой конструкцией по упорядоченному размещению атомов .
14 февраля 1990 года Айглер исоплзовал для перемещения атомов другой метод: вместо того, чтобы таскать атомы вдоль поверхности, он приподнимал их над поверхностью никеля и опускал в новом месте. В лабораторном журнале в тот день слова успешно поднял и успешно опустил повторялись 6 раз - никаких сомнений в воспроизводимости, - а затем крупно и жирно написано: Мне действительно весело!!
Позже Айглер с коллегами построили огромное количество структур, атом за атомом, и исследовали бездну до тех пор не известных физических явлений в этих структурах. Прекрасные изображения из той работы доступны в STM Image Gallery. И начиная с апреля 1990 года для ученых стало обычным делом создавать логотипы институтов и другие картинки с помощью СТМ.
Несмотря на то, что это позволяет перемещать атомы для создания любых картинок, важно понять, что это не имеет отношения к промышленности. Так не удастся размещать атомы на больших площадях. Как писал Айглер, это лабораторный инструмент , а не промышленный, и его значение в том, что мы можем лучше изучить поведение атомов. Более того, добавляет Айглер, манипуляция атомами сегодня столь же захватывающа, как и 20 лет назад .

Вместо заключения

Есть видео о том, как 30 марта 2008 года в музее науки в Бостоне ученый показывает посетителям СТМ. Пока перемещает мышку ноутбука в Бостоне, на экране видна металлическая поверхность в реальном времени в университете Сан-Хосе на другом континенте. Зонд СТМ перемещается, пока не разместится точно над одиночным атомом меди. Зонд снижается, и мы слышим, как атом приклеился к нему. Зонд поднимается, перемещается в другое место, где оставляет атом на новом месте. Новый скан подтверждает, что атом перемещен. Не правда ли, это столь же захватывающе, как исходный эксперимент Айглера-Швайцера?
Когда презентация подходит к концу, лектор предлагает любому желающему попробовать переместить атом, и затем сообщает довольному ребенку: Ты переместил атом!
Этот ученый - Дон Айглер.