Водород на игле
К началу нашего века методы изучения поверхностей твердых тел достигли атомного разрешения. Наравне с электронной микроскопией значительную роль в этом сыграло массовое распространение микроскопии атомных сил, а также сканирующей туннельной микроскопии. Последняя, напомним, опирается на фиксацию туннельного тока между проводящим острием прибора и изучаемой им поверхностью.
Объектами исследований этих приборов стали сплошные пленки и островковые структуры различных веществ, часто толщиной в один или несколько атомных слоев. Тенденция к миниатюризации электроники продолжается, поэтому и научным лабораториям, и производству нужны все более тонкие способы для исследования поверхности уже на атомарном уровне.
Один из них разработали физики Калифорнийского университета в Ирвайне под руководством профессора Вильсона Хо (Wilson Ho). Они модифицировали метод сканирующей туннельной микроскопии так, чтобы с его помощью можно было измерять с высоким разрешением электростатические свойства различных веществ.
Для этого между серебряным острием микроскопа и поверхностью меди, покрытой островками ее нитрида (Cu2N), экспериментаторы удерживали молекулу водорода. Область острия облучали фемтосекундными импульсами терагерцового лазера и по току микроскопа следили за релаксацией возбужденных квантовых состояний водорода. Она-то и несла информацию о взаимодействии молекулы с ее окружением. Естественно, эксперименты проводили при криогенных температурах в вакуумной камере, так как локализация водорода — далеко не простая задача.
Эксперимент позволил получить данные о распределении заряда на поверхности нитрида меди с беспрецедентным временным и пространственным разрешением. Прибор мог видеть вариации заряда длительностью на пятнадцать порядков меньше секунды на размерах до десятой ангстрема, то есть примерно на порядок меньше межатомного расстояния.
Профессор Хо считает свой эксперимент первой демонстрацией химически чувствительного микроскопа. Он надеется на применение своего прибора в науке о катализаторах, так как их эффективность часто зависит от поверхностных несовершенств атомных масштабов. Если материал адсорбирует водород на своей поверхности, говорит он, его всегда можно использовать как сенсор.