Ученые IBM зарегистрировали сигнал от единичного электрона

Сан-Хосе, штат Калифорния

14 июля 2004 года ученые корпорации IBM сделали революционный шаг на пути создания систем магниторезонансной визуализации нанометровых объектов, непосредственно зарегистрировав ничтожный магнитный сигнал от единичного электрона, находящегося в глубине твердотельного образца.

Это достижение является важнейшим шагом к созданию микроскопа, позволяющего получать трехмерные изображения с атомным разрешением. Появление подобного прибора имело бы огромное значение для изучения разнообразных объектов – от белков и лекарственных средств до интегральных микросхем и промышленных катализаторов, – понимание функционирования которых требует детального знания атомной структуры.

«На всем протяжении истории лучшее понимание структуры материи приводило к новым важным открытиям и изобретениям, – говорит Дэниэл Ругар (Daniel Rugar), руководитель нанотехнологических исследований в научном центре IBM в Альмадене, г. Сан-Хосе, штат Калифорния. – Наши новые результаты в конечном счете приведут к важным достижениям в нанотехнологии и биологии».

Ругар возглавляет группу ученых, которая уже более 10 лет занимается пионерскими разработками в области метода магниторезонансной визуализации нанометровых объектов, получившего название магниторезонансной силовой микроскопии (MRFM). Его группе удалось повысить чувствительность магниторезонансных методов примерно в 10 миллионов раз по сравнению с медицинскими магниторезонансными установками, применяемыми для исследования внутренних органов человека. Такое повышение чувствительности позволяет распространить область применимости магниторезонансной визуализации на нанометровые масштабы (нанометр – одна миллиардная доля метра, расстояние, соответствующее длине цепочки из 5...10 атомов).

Специалисты IBM Research внесли значительный вклад в разработку микроскопов для визуализации и изучения объектов нанометровых масштабов. В 1986 году Герд Бинниг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе были удостоены Нобелевской премии за изобретение туннельного сканирующего микроскопа, позволяющего получать изображения отдельных атомов на поверхности проводника. Впоследствии Бинниг изобрел атомно-силовой микроскоп, позволяющий исследовать структуру поверхности диэлектриков, отслеживая силу притяжения между поверхностью и консолью датчика. Затем на основе атомно-силового микроскопа были созданы приборы для визуализации с нанометровым разрешением различных свойств поверхности – магнитных, диссипативных, электростатических. Метод MRFM, сочетая принципы атомно-силовой микроскопии и магниторезонансной визуализации, позволяет исследовать с нанометровым разрешением структуру образца на глубине до 100 нанометров от поверхности.

Статья исследователей IBM Дэниэла Ругара, Джона Мамина, Раффи Будакяна и Бенджамина Чуи, описывающая обнаружение магнитного поля единичного электрона, опубликована в журнале Nature за 15 июля 2004 года. Работа частично финансировалась Управлением перспективных исследовательских программ США (DARPA). С фотографиями и компьютерными анимационными роликами, иллюстрирующими принцип действия MRFM, можно ознакомиться на странице http://www.research.ibm.com/resources/news/20040714_nanoscale.shtml

Технические подробности

Основной элемент MRFM-микроскопа – миниатюрная консоль, крошечный кремниевый кронштейн в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Кронштейн колеблется с частотой около 5000 Гц, а к его концу прикреплен магнит.

Принцип действия магниторезонансного силового микроскопа (MRFM)

Одиночные («неспаренные») электроны и атомные ядра ведут себя подобно крохотным стержневым магнитам. Это явление обусловлено фундаментальным свойством электронов, которое называется «спином». Так же, как притягиваются и отталкиваются два стержневых магнита, магнит на консоли магниторезонансного силового микроскопа взаимодействует со спинами частиц образца. Под воздействием высокочастотного магнитного поля, настроенного в резонанс с частотой собственной прецессии исследуемого спина (подробнее о прецессии атомов и других частиц в магнитном поле см. статью «Ядерный магнитный резонанс»), этот спин при колебаниях консоли датчика меняет свою ориентацию на противоположную и обратно. Хотя сила магнитного взаимодействия между магнитом датчика и спином чрезвычайно мала (порядка 10...18 Н), консоль датчика настолько чувствительна, что изменение спина вызывает заметное изменение частоты ее собственных колебаний.

В то время как медицинские магниторезонансные установки способны регистрировать группы из не менее чем триллиона спинов протонов, исследователям IBM удалось уловить значительно более слабый сигнал от единичного электронного спина. Ученые также продемонстрировали пример простейшей (одномерной) визуализации структуры с разрешением 25 нанометров – примерно в 40 раз лучше, чем у лучших существующих магниторезонансных микроскопов традиционной конструкции.

В ходе будущих работ Ругар планирует улучшить чувствительность, разрешение и быстродействие метода MRFM, чтобы получить возможность регистрировать отдельные протоны и ядра, например, ядра изотопа углерода-13, что может быть полезно для исследования структур молекул (магнитный сигнал электрона приблизительно в 600 раз больше, чем сигнал единичного протона).

Особенно перспективным может оказаться применение метода MRFM для исследования белковых структур. Биологическая активность больших белковых молекул определяется их чрезвычайно сложной пространственной конфигурацией. Из-за того, что определить подобную структуру напрямую до сих пор было невозможно, ученым приходится использовать косвенные методы, такие как рентгеноструктурный анализ кристаллических белков или компьютерное моделирование. Метод MRFM может использоваться для считывания информации в квантовых компьютерах.

Источники информации:

1. Герд Бинниг (биография нобелевского лауреата). НиТ, 2000.
2. Гейнрих Рорер (биография нобелевского лауреата). НиТ, 2000.
3. Атомный силовой микроскоп. НиТ, 2002.
4. Лаврус В.С. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). НиТ, 2002.
5. IBM Scientists Make Breakthrough in Nanoscale Imaging. IBM, 2004.

Дата публикации:

29 июля 2004 года