Вижу электрон!

Сан Хосе, Калифорния, июль 14, 2004. Ученые из IBM сделали очевидный прорыв в технологии магнитно-резонансного метода получения изображений (Magnetic Resonance Imaging, MRI) наноразмера прямым определением слабого магнитного сигнала от единичного электрона, находящегося внутри твердого тела.
Это достижение стало краеугольным камнем, положенным в основу создания микроскопов, которые могут фиксировать трехмерные изображения молекул с разрешением до отдельного атома. Успешное создание таких микроскопов сыграет важную роль в материаловедении, физике твердого тела и молекулярной химии - от изучения белков и фармацевтических  препаратов до интегральных микросхем и промышленных катализаторов - там, где особо важно детальное понимание атомной структуры. Например, знание точного размещения отдельных атомов внутри тонкой наноэлектронной структуры позволит конструкторам "заглянуть" внутрь разрабатываемого чипа и прогнозировать его свойства и характеристики. Возможность непосредственно получить изображение детального размещения атомов в молекуле белка имеет целью разработку новых медицинских препаратов и лекарств.
"Получение возможности яснее видеть предмет изучения сопровождается новыми открытиями", сказал Дэниэл Ругар (Daniel Rugar), упраляющий лабораторией наноисследований Исследовательского центра IBM "Альмаден" (Almaden Research Center) в Сан-Хосе, калифорния, США. "Это позволит нам безоговорочно лидировать в продвижении достижений нанотехнологии и биологии".
Ругар возглавляет команду ученых, которые в течение десятилетия были пионерами разновидности наномасштабного метода MRI, называемого микроскопом магнитно-резонансного усилия (Magnetic Resonance Force Microscopy, MRFM). Его команда добилась повышения чувствительности метода MRI более чем в 10 млн. раз по сравнению с медицинским оборудованием MRI, которое применяется для визуализации внутренних органов человеческого тела. Повышение чувствительности позволило добиться разрешения менее нанометра. (Нанометр - одна миллиардная часть метра, этот размер соответствует размеру 5-10 атомов.)
Исследовательское подразделение IBM имеет богатую историю развития и научных достижений в области микроскопии наноизображений. Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Хайнрих Рорер (Heinrich Rohrer)  из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, в 1986 году получили Нобелевскую премию за их открытия сканирующего туннельного микроскопа, на котором можно было получить изображение отдельного атома на электропроводящей поверхности. Впоследствии Бинниг изобрел микроскоп с измерением атомного усилия (Atomic Force Microscope, AFM), который использовал эффект притяжения между консольной измерительной балкой и поверхностью, которая не проводит электрический ток. Ученые из IBM (и не только) модифицировали и расширили возможности AFM-приборов для исследования поверхностных усилий и получения  характерных изображений СНАРУЖИ, возникающих при воздействии магнитного поля, трения,  влияния электростатики на поверхность предмета с разрешением порядка нанометров. Метод же MRFM представляет собой комбинацию эффектов, использующихся в методах AFM и MRI, и позволяет получить изображение с нанометрическим разрешением ВГЛУБЬ вплоть до 100 нанометров от поверхности образца.
Команда IBM, в которую помимо Ругара входят Джон Мамин (John Mamin) Раффи Будакян (Raffi Budakian) и Бенджамен Чуи (Benjamain Chui) опубликовали свои результаты по распознаванию отдельного электрона в научном журнале Нейчур (Nature) в выпуске от 15 июля 2004 года. Эта работа проводилась в рамках части программы Агентства проектов расширенных оборонных исследований (Advanced Research Projects Agency). Фото высокого разрешения и компьютерную анимацию принципов работы MRFM можно получить из Интернета по адресу: http://www.research.ibm.com/resources/news/20040714_nanoscale.shtml

Главной особенностью MRFM является микроскопическая "микроконсоль" длиной около 85 мкм, которая напоминает миниатюрный трамплин для прыжков в воду, правда, в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Он вибрирует с собственной частотой примерно 5000 раз в секунду, а его намагниченный наконечник притягивается в сторону любой мельчайшей, но достаточно мощной частицы, обладающей магнитными свойствами.  
Изолированные ("непарные") электроны и множество ядер атомов ведут себя подобно намагниченной стрелке компаса. То, что обеспечивает свойство магнетизма элементарных частиц, часто называют "спин". Подобно тому, как концы двух намагниченных стрелок могут притягиваться или отталкиваться друг от друга, магнитный наконечник консоли прибора MRFM притягивается или отталкивается при взаимодействии со спином частицы в образце. При микроперемещении консоли и осцилляции высокочастотным магнитным полем ее собственная частота изменяется и наконечник прецессирует от взаимодействия со спином, месторасположение которого фиксируется.  Магнитная ориентация спина тоже попеременно меняет свое направление, "перескакивает", вибрация спина резонирует с колебаниями микроконсоли. Хотя магнитные силы между магнитным наконечником и  спином исключительно малы (порядка миллионной или даже миллиардной доли ньютона), микроконсоль настолько чувствительна, что перескоки спина вызывают определяемые искажения частоты вибрации микроконсоли.
Магнитно-резонансное изображение в медицинских целях выглядит как группа не менее одного миллиарда спинов протонов. Исследователи же из IBM могут определить сигнал намного слабее, в частности, полученный от спина одного электрона.   Исследователи также продемонстрировали одноразмерное изображение  с разрешением в 25 нанометров, что примерно в 40 раз лучше разрешающей способности любого самого лучшего нынешнего микроскопа, использующего метод MRI.
Дальнейшие исследования группы Ругара будут направлены на еще большее повышение чувствительности, разрешения и скорости получения изображений по методу MRFM, чтобы смочь определить отдельные протоны и другие атомные ядра, например, углерода-13, способного быть внедренным вглубь молекулярной структуры. (Магнитный сигнал от единичного электрона примерно в 600 раз сильнее, чем от отдельного протона.)
Применение метода MRFM к белковой структуре - несколько более отдаленная перспектива. Биологическая активность больших белковых молекул определяется не просто последовательностью атомов, а их сложной и спутанной в клубок пространственной конфигурацией. Поскольку структуру белка невозможно определить непосредственно, ученые используют сначала непрямые методы, такие как обработка рентгеновскими лучами кристаллизированных белков или компьютерное моделирование.
Развитие метода MRFM послужит также в качестве детектора квантовой информации в спин-ориентированных квантовых компьютерах будущего.

Микроскоп магнитно-резонансного усилия (Magnetic Resonance Force Microscope, MRFM) использует ультратонкий кремниевый консольный вибратор (показано желтым) с магнитным наконечником размером в нанометр (синий) для определения сигнала от единичного электрона, расположенного в глубине от поверхности исследуемого образца. Поскольку электрон имеет квантово-механическое свойство, называемое "спин", он взаимодействует с наконечником подобно магнитной стрелке компаса и может даже притягивать и отталкивать его. Взаимодействие спина и наконечника, где консоль вибрирует, ограничено некоторой областью, называемой "резонансный всплеск". Под воздействием магнитного поля высокой частоты, генерируемого катушкой (справа внизу), ориентация электрона (зеленая стрелка) меняется до тех пор, пока перемещение консоли не вышло за пределы области резонансного всплеска. Магнитная сила между электроном и магнитным наконечником вызывает попеременное притяжение и отталкивание всякий раз, когда электрон скачком меняет ориентацию (вектор спина), тем самым слегка сказываясь на частоте колебаний консоли. Лазерный луч (слева) точно измеряет все вариации частоты вибрации консоли. 
Консоль из ультратонкой кремниевой пластинки вибрирует с собственной частотой 5000 циклов в секунду, а взаимодействие со спином электрона может изменить частоту колебаний консоли на одну миллионную часть. Амплитуда наконечника консоли может достичь 10 мкм. 
Магнитный наконечник консоли имеет размер порядка 150 нанометров и выполнен из крошки самарий-кобальтового магнитного сплава, создающего направленное и концентрированное магнитное поле. Его взаимодействие (притяжение или отталкивание) со спином электрона в зависимости от ориентации электрона происходит в небольшой области. Консоль и наконечник напоминают собой физический маятник с сосредоточенной на его конце массой, благодаря чему снижена возможность возникновения вынужденных высокочастотных колебаний консоли во время измерений. Это магнитное утолщение консоли имеет размеры около 10 мкм в длину, 5 мкм в ширину и 1 мкм в толщину.

По материалам www.ibm.com