IBM: Для перемещения 1 атома требуется приложить силу в 210 пиконьютон

Ученые IBM при участии своих коллег из Университета Регенсбурга 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 в Сан-Хосе, в расположенной на холмах Кремниевой долины небольшой
лаборатории, оснащенной высокотехнологичным оборудованием, ученому Дону
Айглеру 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. 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. 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.