Специалисты Алмаденского исследовательского центра (Сан-Хосе, штат Калифорния) корпорации IBM разработали сверхчувствительный измерительный прибор, при помощи которого впервые удалось засечь спин отдельного электрона.
Это достижение - важнейший промежуточный результат двенадцатилетней научной работы, проделанной группой ученых IBM под руководством Дэна Ругара. Научно-исследовательское подразделение американского компьютерного гиганта IBM Research - признанный мировой лидер в сфере разработки микроскопов, работающих в нанодиапазоне (напомним, что 1 нм = 10-9 м). В 1986 году специалисты Цюрихской исследовательской лаборатории IBM Герд Бинниг и Хайнрих Рорер получили Нобелевскую премию по физике за изобретение сканирующего туннельного микроскопа, при помощи которого впервые удалось "увидеть" отдельные атомы на электропроводных поверхностях. Несколькими годами позже Бинниг разработал еще более мощную его разновидность - атомный силовой микроскоп, позволяющий улавливать тончайшие изменения силы притяжения между измерительным прибором (кантилевером) и непроводящими поверхностями.
Ругар и его коллеги Раффи Будакян и Джон Мамин изобрели новейшую технологию - магниторезонансную силовую микроскопию (MRFM), в которой сочетаются достоинства двух ее принципиальных методологических составляющих - ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и атомной силовой микроскопии. Атомные силовые микроскопы умеют фиксировать изображения отдельных атомов на поверхности исследуемых образцов, но их чувствительность ограничена одним, максимум двумя атомными слоями. Технология ЯМР, напротив, позволяет проникать глубоко внутрь сканируемых объектов и получать их трехмерные изображения благодаря регистрации "суммарных" сигналов спинов миллиардов протонов, выравнивающихся в магнитном поле. Однако разрешающая способность ЯМР весьма низка, на сегодня ее предел - порядка одного микрона (1000 нм).
Магниторезонансный силовой микроскоп Ругара и его коллег вывел чувствительность ЯМР в нанометровый диапазон, усилив разрешающие возможности гибридного инструмента примерно в 40 раз, а электрон, спин которого им удалось детектировать, находился на глубине 100 нм от поверхности образца (стекловидного кварца), то есть на глубине в несколько десятков атомных слоев.
Прибор состоит из крошечного магнитного наконечника, сделанного из сплава самария и кобальта, прикрепленного к вибрирующему кремниевому кронштейну (кантилеверу) длиной в 85 микрон и толщиной в 100 нм. Ругар и его коллеги расположили кронштейн на расстоянии 125 нм над поверхностью исследуемого кварцевого образца и поместили его в магнитное поле, меняющееся с огромной частотой. Под воздействием высокочастотного магнитного поля возбужденные электроны быстро меняли свою магнитную ориентацию, и чутко реагирующий на это наконечник, в свою очередь, передавал сигнал кантилеверу. Для точного измерения этих частотных колебаний на кантилевер был направлен тонкий лазерный луч. Благодаря разработанной американскими специалистами сверхчувствительной технологии лазер и различил спины отдельных электронов.
По единодушному мнению специалистов, MRFM-технология выглядит особенно перспективной в исследовании сложных молекулярных структур (например, для получения качественных трехмерных изображений белков), возможно, она окажется полезной в распознавании информации, передаваемой пресловутыми квантовыми компьютерами будущего.
