сканирующий туннельный микроскоп

В сканирующем туннельном микроскопе, способном видеть отдельные атомы, поддерживаются экстремальные условия: температура около -268°C и сверхвысокий вакуум. Чтобы осадить одиночные атомы железа на исследуемую поверхность, обычно требуется прямой путь от испарителя к образцу.

Морской контейнер — это стальной сейф размером с комнату, набитый товарами. Просветить его рентгеном сложно: толстые стенки и плотный груз глушат лучи. На помощь приходят мюоны — элементарные частицы, которые рождаются высоко в атмосфере при столкновении космических лучей с ядрами атомов и постоянно сыплются на Землю.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать крылья колибри обычной камерой — получится лишь размытое пятно. Чтобы запечатлеть их чётко, делают множество быстрых кадров с разных ракурсов и объединяют в одно изображение.

Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.

В электромагнитной ловушке исследователи сформировали ионный кристалл — упорядоченную структуру из 150 ионов, охлаждённых до сверхнизких температур. Каждый ион ведёт себя как элементарный магнит, спин которого — вектор, способный ориентироваться в пространстве произвольно.

Биологи часто метят клетки светящимися молекулами — это как искать тусклый огонёк в дыму. Огонёк быстро гаснет, а дым создаёт помехи. Учёные заменили такой подход на магнитный компас: клетки получили крошечные намагниченные частицы, а сигнал с них считывает алмазный датчик с NV-центрами (азотно-вакансионными центрами) в углеродной матрице — искусственными дефектами…

Стопка бумаги: если листы лежат ровно один на другом, свет сквозь них проходит одинаково. Но стоит повернуть один лист на несколько градусов, и картина меняется. Примерно так же ведут себя слои в некоторых материалах: повернёшь их друг относительно друга — и свойства меняются, иногда радикально. Спектроскопия тут ни при чём — точнее, это не тот метод.

Ток, текущий по проводу, никогда не бывает идеально ровным. Если прислушаться к нему достаточно чутко, слышен шорох — дробовой шум. Он возникает потому, что заряд переносится не сплошным потоком, а отдельными порциями, как капли дождя по крыше. По характеру этого шума можно понять, сколько заряда несёт каждая «капля».

Сканирующий туннельный микроскоп ощупывает молекулу тончайшей иглой и рисует её рельеф. Но снимок плоский, а молекула объёмная. Как по тени на стене угадать позу человека? Учёные построили «переводчика с теней на объём» — нейросеть, которая восстанавливает трёхмерную форму молекулы по её отпечатку. Сначала сеть учили на миллионах синтетических снимков.

Ионный канал в мембране клетки — это ворота шириной в несколько атомов. Через них каждую секунду проходят миллионы заряженных частиц — ионов натрия и калия. Классическая физика говорила: чтобы пройти, иону нужно перепрыгнуть энергетический барьер, как путнику — высокий горный перевал.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

Крошечная игла скользит над поверхностью, как палец по странице, написанной шрифтом Брайля. Так работает сканирующий туннельный микроскоп: он ощупывает рельеф из атомов и превращает неровности в картинку. Но когда нужно добавить магнитное поле, конструкция упирается в стенку.

Остриё сканирующего туннельного микроскопа подходит к поверхности кристалла так близко, что между ними проскакивает электрический ток. Электроны из иглы впрыскиваются в слоистый полупроводник и попадают в атомную вакансию — место, где в решётке не хватает одного атома. Эта пустота работает как крошечная ловушка для заряда.

В скрученном двухслойном графене электроны ведут себя как люди в переполненном автобусе: каждый занимает место и мешает соседям. Сила этого «нежелания делить пространство» называется параметром Хаббарда U. От него зависит, будет ли материал проводником или изолятором, но измерить U напрямую очень трудно.

Короткая вспышка света падает на лист графена — и в месте удара на миг открывается энергетическая щель, будто в сплошной ткани прорезается карман.

Игла туннельного микроскопа парит над поверхностью на расстоянии меньше диаметра атома. Обычно она ощупывает рельеф, как палец — страницу шрифта Брайля. Теперь та же игла научилась слушать, как дрожит мембрана размером с ноготь. В новом эксперименте игла микроскопа стала и смычком, и микрофоном.

Два маятника, связанные световой пружиной, начинают колебаться в такт, даже не касаясь друг друга. В квантовом мире такой синхронизм означает нечто большее: частицы теряют индивидуальность и становятся единым объектом.

Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.