Mikroskop tunelowy STM — widzimy atomy

Co się właśnie stało?

Ostrze mikroskopu tunelowego (STM) zawisło nad powierzchnią próbki w odległości ułamka nanometra — zbyt dużej, by elektrony mogły ją pokonać według fizyki klasycznej. A jednak płynie prąd. To efekt czysto kwantowy: elektrony mają pewne prawdopodobieństwo „przeskoczenia" przez tę próżniową szczelinę, mimo że nie mają na to energii w sensie klasycznym.

Tunelowanie kwantowe — wzór:

— prąd tunelowy I zależy wykładniczo od odległości ostrza od powierzchni d. I₀ i κ to stałe zależne od materiału i napięcia. Wykładnicza zależność oznacza, że nawet mikroskopijna zmiana d (ułamek nanometra) daje ogromną zmianę I — o rzędy wielkości.

Czym jest tunelowanie kwantowe?

W fizyce klasycznej cząstka bez wystarczającej energii nie pokona bariery (tu: próżniowej szczeliny między ostrzem a próbką) — jak piłka, która nie przetoczy się przez wzgórze wyższe niż jej energia. W mechanice kwantowej elektron opisuje funkcja falowa, która nie znika gwałtownie na granicy bariery, tylko wykładniczo maleje w jej głębi. Jeśli bariera jest bardzo cienka (ułamek nanometra), funkcja falowa „sięga" na drugą stronę — i istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że elektron się tam znajdzie. Zjawisko niemożliwe w fizyce klasycznej, ale codzienność w skali atomowej.

Jak „zobaczyć" pojedynczy atom?

STM nie robi zdjęcia — buduje mapę. Ostrze skanuje powierzchnię linia po linii, a elektronika utrzymuje prąd tunelowy na stałym poziomie, delikatnie unosząc lub opuszczając ostrze nad każdym punktem. Ponieważ prąd tak silnie zależy od d, utrzymanie stałego I oznacza utrzymanie niemal stałej odległości — czyli ostrze dosłownie „jedzie" po konturze powierzchni. Zapisując wysokość ostrza w każdym punkcie, otrzymuje się mapę topografii z rozdzielczością pojedynczych atomów — coś, czego żaden mikroskop optyczny nie osiągnie, bo jest ograniczony dyfrakcją światła.

Nobel 1986 — Binnig i Rohrer:

W 1981 roku Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, pracując w laboratorium IBM w Zurychu, zbudowali pierwszy działający skaningowy mikroskop tunelowy. Za to osiągnięcie w 1986 roku otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki „za skaningowy mikroskop tunelowy". Ich wynalazek dał ludzkości pierwsze narzędzie pozwalające bezpośrednio „zobaczyć" i manipulować pojedynczymi atomami na powierzchni materiału.

Do czego służy STM dzisiaj?

STM (i jego krewniak, mikroskop sił atomowych AFM) to dziś podstawowe narzędzie nanotechnologii i fizyki powierzchni — bada się nim strukturę katalizatorów, defekty w materiałach, warstwy atomowe grafenu czy nawet manipuluje pojedynczymi atomami, układając je w napisy i wzory (słynne demonstracje IBM). To fundament badań, które umożliwiły rozwój elektroniki i materiałów w skali nanometrowej.

Po co Ci to na maturze:

Zapamiętaj kluczowy fakt jakościowy: prąd tunelowy zależy WYKŁADNICZO (nie liniowo!) od odległości. To najczęściej pytany element o STM — rozpoznaj sygnał „ogromna czułość mimo małych zmian odległości" jako tunelowanie kwantowe, zjawisko niemożliwe w fizyce klasycznej.

Zapamiętaj: prąd tunelowy w STM zależy wykładniczo od odległości ostrza od powierzchni — stąd ogromna czułość pozwalająca odwzorować pojedyncze atomy. To zjawisko czysto kwantowe (Binnig i Rohrer, Nobel 1986).