Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Микроскоп этого типа называется просвечивающим, позже был изобретен ряд электронных микроскопов других типов. Наиболее оригинальный из них — сканирующий электронный микроскоп: в нем на образец направляется остро сфокусированный пучок электронов и наблюдаются рассеянные на нем электроны. Магнитные катушки перемещают электронный луч по поверхности образца так же, как конденсаторы передвигают электронный луч по экрану телевизора, наблюдатель фиксирует изменения распределения рассеянных электронов и получает объемное изображение поверхности. (Разрешение на сканирующем электронном микроскопе ниже, чем разрешение у просвечивающего микроскопа, так что они дополняют друг друга.)

Однако электронные микроскопы отнюдь не лишены серьезных недостатков: во-первых, интенсивный поток электронов может разрушить исследуемые образцы, во-вторых, поверхность образцов должна сильно рассеивать налетающие электроны, а поэтому ее часто приходится декорировать — напылять на образцы тяжелые металлы, например платину, или же снимать с образцов реплики из металла и уже их, а не образец, снимать под увеличением.

Еще большее увеличение дает безлинзовый автоэлектронный микроскоп, придуманный еще в 1936 г. Э. В. Мюллером (1911–1977). Он задумался над очень простым вопросом: для чего нужно облучать объект электронным пучком — ведь электроны имеются и в самом объекте, т. е. он решил объединить объект и излучатель.

Работа оказалась сложной и заняла много лет, хотя к концу работы идея стала очень простой, как во всех по-настоящему оригинальных изобретениях. Итак, в одном из вариантов, берется металлическая полусфера, к центру которой подведено металлическое острие, если теперь подать на эту систему высокое напряжение так, чтобы острие заряжалось отрицательно, то с острия начнут срываться электроны и устремляться к полусфере. Если эта полусфера идеальна, то вылетающие электроны имеют равную вероятность попасть в любую ее точку, но если на острие имеется, скажем, какая-нибудь молекула, то на экране появится ее тень — увеличение будет определяться отношением радиуса полусферы к радиусу кончика иглы. В таких устройствах Мюллер достиг увеличения в миллионы раз (после каждого снимка приходилось обрабатывать или даже менять полусферы, искаженные потоком электронов).

В 1951 г. Мюллер сконструировал на схожих принципах ионный проектор и смог, впервые, получить снимки биологических молекул, доменов ферромагнетиков, дефектов кристаллической структуры и т. д.

Нобелевскую премию 1986 г. с Эрнстом Руской разделили Герд Бинниг (р. 1947) и Гейнрих Рорер (р. 1933) за создание сканирующего туннельного (или туннелирующего) микроскопа.

Если со времен создания рентгеноструктурного анализа можно было с достоверностью установить положение атомов внутри кристаллической решетки, а более или менее точно и внутри некристаллических тел, то определить расположение частиц на поверхности во много раз сложнее. Исследования в этой области столь сложны, что Вольфганг Паули однажды воскликнул: «Поверхность, несомненно, была изобретением дьявола!»

В 1978 г. Рорер и Бинниг предложили исследовать поверхности с помощью квантово-механического эффекта туннелирования. Это явление, о котором мы говорили в главе о квантовой механике, является одним из проявлений принципа неопределенностей Гейзенберга и состоит в том, что частицы могут «туннелировать», проникать в такие узкие области, проход через которые запрещен классическими законами, в частности тогда, когда им для этого не хватает энергии, как, например, в явлении альфа-распада. Отметим, что этот эффект использовался и для получения множества данных о границах, разделяющих отдельные слои в «сэндвичах» из разных материалов.

Рорер и Бинниг избрали иной путь: они заставляли электроны туннелировать через вакуум. Основная идея их изобретения очень проста и состоит в том, чтобы сканировать поверхность твердого тела в вакууме с помощью кончика острой иглы: если между образцом и кончиком иглы приложено напряжение и расстояние между ними достаточно мало, то электроны туннелируют с острия иглы на образец. Сила туннельного тока зависит от расстояния между образцом и острием иглы и выражается вполне определенной формулой, зависящей от этого расстояния. Поэтому исследователи надеялись, водя иглой вдоль поверхности образца и измеряя ток, получить возможность «нанести на карту» расположение микроскопических (атомных размеров) холмов и долин на поверхности образца.

Как сказал позже Рорер: «Мы были совершенно уверены в успехе. С самого начала мы знали, что это будет важным продвижением вперед. Удивительно лишь то, что нам удалось так быстро достичь желаемого». Первое успешное испытание сканирующего микроскопа они провели уже весной 1981 г.: им удалось достичь разрешения «шероховатостей» на поверхности кристалла высотой всего лишь в один атом. (Понять важность и новизну чужого открытия, да еще принадлежащего незнакомым авторам, не всегда легко: рецензент журнала, куда Рорер и Бинниг послали первую статью, отверг ее как «недостаточно интересную».)

Самой большой трудностью в их работе была необходимость исключения всех источников колебаний и шумов: расстояние между острием и предметом должно контролироваться с точностью до доли диаметра атома. Поэтому даже шаги прохожих могут нарушить работу сканирующего микроскопа: его пришлось помещать на тяжелом каменном постаменте, изолированном от внешних шумов амортизаторами из сплющенных шин и т. п. Острие при этом перемещается пьезоэлектрическими устройствами, которые чутко реагируют на изменения управляющего напряжения.

Сканирующие микроскопы были затем усовершенствованы и миниатюризированы, сейчас это стандартный лабораторный прибор небольшого размера (десятки сантиметров). Он позволяет разрешать по вертикали детали размером в 0,1 ангстрема (1 ангстрем равен 10-10 м), т. е. в одну десятую диаметра атома водорода. Разрешающая способность сканирующего острия шириной всего в несколько атомов позволяет разрешать детали в горизонтальной плоскости размером не более 2 ангстремов, а в настоящее время удается изготовлять острия шириной всего лишь в 1 атом.

Отметим, что сканирующий туннельный микроскоп, помимо вакуума, работает и в других средах, в том числе в воздухе, воде и криогенных жидкостях. Он применяется для исследования не только неорганических, но и органических веществ, в том числе вирусов и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Критерий Аббе, о котором мы говорили выше, или соответствующие ему критерий Рэлея и принцип неопределенностей Гейзенберга — все они утверждают, что невозможно рассмотреть объект, размеры которого меньше длины волны.

Но вот в 1928 г. в старейшем английском физическом журнале Philosophical Magazine появляется статья некоего Синга, в которой приводятся его снимки — не очень высокого, правда, качества — деталей предметов с размерами, в 3–5 раз меньшими длины волны!

Нонсенс? — Но статью рекомендует к печати А. Эйнштейн!

Следующую статью с чуть лучшими снимками Синг помещает в том же журнале в 1932 г., но затем замолкает. И молчание по поводу возможности или невозможности такого разрешения продолжается примерно 65 лет — точнее, все эти годы никто не подвергает сомнению критерий Аббе и ему соответствующие.

И вдруг прорыв: в ряде журналов почти одновременно начинают появляться снимки, нарушающие, казалось бы, самые святые положения теории, проводятся конференции, даже издаются учебники и начинается промышленный выпуск оптических микроскопов, в которых можно фотографировать большие молекулы. Сейчас можно увидеть снимки деталей, в 300 раз меньших длины волны света…

Что же происходит, нарушаются ли этим законы физики?

Оказывается, в течение многих десятилетий ученые обращали очень мало внимания на факт, давно известный в радиотехнике: поле излучения антенны можно, весьма условно, подразделить на две части: дальнее поле и ближнее поле. Уравнения Максвелла описывают, в принципе, дальнее поле: на расстоянии одной или даже нескольких длин волн от источника — именно в этой области электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны, именно оно убывает обратно пропорционально расстоянию от источника и т. д. Ближнее поле быстро затухает в отдалении от источника, оно, в принципе, аналогично, а быть может, и просто соответствует той «шубе» частиц (и антенн?), которые мы рассматриваем в главах о частицах и полях.

Поэтому можно думать, что если дальнее поле волны проквантовано, т. е. представлено в виде совокупности квантов с определенными свойствами, то ближнее поле не является квантовым, или же в нем нельзя выделить определенные наборы квантов, т. е. в нем присутствуют при данной частоте все длины волн — эта проблема еще не решена. Но если есть все длины волн, то они могут отражать свойства малых деталей предметов.