Ivan Štich: Zobrali sme atómy a manipulovali nimi

„Japonský kolega ukázal na konferencií svoje experimentálne výsledky a oslovil ma,“ hovorí o výskume manipulovania atómov IVAN ŠTICH z Fyzikálneho ústavu SAV.

(Zdroj: SME – VLADIMÍR ŠIMÍČEK)

Koho to bol nápad urobiť takýto výskum?

Väčšina vedeckých spoluprác nevzniká plánovite, tak ako si to často predstavujú napr. grantové agentúry, ale spontánne, tak, že ľudí zaujme nejaký problém. V tomto konkrétnom prípade ukazoval japonský kolega, profesor Sugawara z Osaka University na konferencií svoje experimentálne výsledky. Oslovil ma, či by sme nemohli ako teoretici skúsiť namodelovať, čo oni merajú.

Prečo teória?

Táto oblasť, zobrazovanie a manipulácia atómov na povrchoch mikroskopmi s atomárnou rozlišovacou schopnosťou, je charakteristická tým, že experimentálny výsledok sa obvykle plne pochopí až po porovnaní s výsledkami počítačového modelovania opäť na atomárnej škále. Tento náš rozhovor počul aj profesor Kantorovich z King’s College London. Aj jeho to zaujalo, a tak vznikla trojspolupráca Osaka-Londýn-Bratislava. Samozrejme, všetci sme sa z videnia na konferenciách poznali už predtým.

Ako výskum podelený medzi rôzne pracoviská prebiehal?

Delenie výskumných aktivít vyplýva už z toho vyššie povedaného. Na začiatku boli experimenty, ktoré boli všetky prevedené na univerzite v Osake. Našou úlohou, ako aj úlohou King’s College London, bolo počítačové modelovanie na atomárnej úrovni, teda za použitia kvantovej a štatistickej fyziky.

Prečo?

Kvantovomechynický popis je potrebný z dôvodu, že študujeme interakcie na úrovni jednotlivých atómov. Štatistickú fyziku potrebujeme zase preto, že viaceré procesy, ktoré vedú k manipulácií sú procesy aktivované oscilujúcim hrotom nad povrchom vzorky a určitá časť týchto procesov prebehne až po rádovo 109 pokusoch, teda osciláciách hrotu.

Výsledkom našej práce bol pomerne komplexný, 4-stavový model, ktorý plne vysvetľuje experimentálne pozorovania a ktorý pozostáva z 3 súčastí; analytickej formuly na výpočet pravdepodobnosti manipulácie, určenia bariér separujúcich jednotlivé stavy metódami elektrónovej štruktúry z prvých princípov a zo štatistického modelu oscilujúceho hrotu nad vzorkou, ktorý nám dáva výsledné pravdepodobnosti manipulácie.

Prečo je dôležité vedieť takto manipulovať s atómami a ako by sa to dalo využiť?

Manipulácia s individuálnymi atómami je jedným zo spôsobov budovania nanoštruktúr „bottom up” na povrchoch tuhých látok. Dokážeme tak vytvoriť systémy, ktoré nemusia existovať v prírode, a môžu mať užitočné vlastnosti. V našom prípade takto dokážeme „písať” atómami medi na zoxidovanom povrchu medi.

Vieme vytvárať 1-dimenzionálne štruktúry z Cu atómov na vrstve zoxidovaného povrchu medi, ktorá je polovodivá a ktorá sa nachádza nad kovovou štruktúrou objemovej medi. Nazýva sa to dip-pen nanolitografia, ktorá sa ale v našom prípade realizuje na atomárnej úrovni. Schopnosť takéhoto vytvárania nanštruktúr à la carte je dôležitá už z princípu; napríklad na vytvorenie magnetických nanoštruktúr pre použitie v spintronike, kvantovom počítaní atď.

Výskum ukázal, že počas procesu sa nemení štruktúra hrotu mikroskopu a nemenia sa ani výsledné snímky. To je ako možné?

Toto bola naozaj na prvý pohľad dosť prekvapivé. Študovali sme takzvané vertikálne manipulácie, teda extrakciu atómov medi z povrchu do hrotu mikroskopu a naopak, depozíciu atómov medi z hrotu na povrch. Z našich iných štúdií sme vedeli, že hrot musí byť zakončený kyslíkovým atómom. Naivne sme si predstavovali, že ak dôjde napríklad k extrakcii atómu medi z povrchu do hrotu, zmení sa chemická identita hrotu, ktorý po extrakcií bude teraz ukončený atómom medi. V takom prípade by sa samozrejme zmenil aj obraz povrchu pri jeho skenovaní takýmto hrotom. Experiment, však ukázal, že tomu tak nie je a náš model vysvetlil prečo.

A teda prečo?

Pre atómy medi je totiž energeticky výhodnejšie difundovať po kónickom tele hrotu a adsorbovať na ňom, ako vytvoriť medené ukončenie apexu hrotu.

Prečo ste si vybrali práve atómy medi?

To opäť nebolo prvoplánové. Naši experimentálni partneri z Osaky študovali zoxidované povrchy medi najmä pre ich aplikačný potenciál ako materiál pre elektroniku a katalýzu. Pri štúdiu týchto systémov pozorovali spontánnu manipuláciu atómov medi. Systematické štúdium ukázalo, že atómy je možné manipulovať „kontrolovaným” spôsobom, nakoľko je to u stochastických systémov možné tak, že výsledkom je vytvorenie požadovanej nanoštruktúry.

Prečo pridávanie atómu bolo ľahšie (pravdepodobnejšie) ako odoberanie a čo to znamená?

To je opäť niečo, čo aspoň na prvý laický pohľad prekvapí. Laik očakáva, že ak sa obráti postupnosť krokov, ako v našom prípade, oba výsledky budú rovnako pravdepodobné. V skutočnosti tomu ale tak nie je a energetické bariéry pre priame a reverzné procesy nie sú rovnaké. V našom konkrétnom prípade sa ukázalo, že pri extrakcii atómov z povrchu do hrotu extrakcia atómov medi prebieha len vo veľmi úzkom rozsahu vzdialeností hrot-vzorka, pričom pri opačnom procese tomu tak nie je.

A prečo sa atóm medi vyšplhal po ihle nahor a nenakopia sa tam tieto atómy?

Pre atómy medi je energeticky výhodnejšie difundovať po hrote, ako sa akumulovať pri apexe hrotu. Toto v podstate určuje “chémia” systému.

Tento váš nový teoretický model sa dá využiť aj na opis ďalších problémov?

Model, ktorý sme vyvinuli pre takzvané vertikálne manipulácie atómov, je úplne obecný a je možne ho použiť v podstate na akýkoľvek proces atomárnej prípadne molekulárnej manipulácie, napríklad na procesy takzvanej laterálnej manipulácie hrotom mikroskopu.

Model ma tri súčasti: analytickú matematickú formulu pre pravdepodobnosť manipulácie, výpočet energetických bariér medzi jednotlivými stavmi v procese manipulácie a štatistické modelovanie metódou silne modifikovaného kinetického Monte-Carla, ktoré dáva pravdepodobnosti potrebné pre výpočet výslednej pravdepodobnosti manipulácie.

Takáto metóda ešte nebola použitá na popis manipulácie atómov SPM mikroskopom, a preto otvára úplne nové možnosti detailného pochopenia stochastických atomárnych manipulačných procesov.

Najčítanejšie na SME Tech


Téma: Rozhovory z denníka SME


Hlavné správy zo Sme.sk

DOMOV

Zarábajú milióny na úkor štátu. Priekupníkov dreva sa nedarí odstaviť

Niektoré firmy, ktoré len skupujú drevo a posúvajú ho ďalej, majú s Lesmi SR uzatvorené nevypovedateľné zmluvy.

KOMENTÁRE

Starostlivosť vzorného hospodára

Podozrenie, že sa o milióny podelili, asi napadá kdekomu.

ŠPORT

Nechcel som, aby Nasťa odišla. Dnes to chápem, tvrdí jej brat

Ako je možné, že Kuzminová vyhráva, a naši nie, čudujú sa Rusi.

SVET

Nemeckí socialisti tesne odhlasovali koalíciu s Merkelovou

Vláda môže vzniknúť na Veľkú noc.

Neprehliadnite tiež

Prečo hrá mozog džezového a klasického pianistu rovnakú skladbu inak

Mozgy džezových a klasických pianistov fungujú rozdielne. Dokonca aj vtedy, keď hrajú tú istú skladbu.

Spravili krok k včasnému odhaleniu rakoviny, krvný test má veľkú úspešnosť

Test dokázal určiť aj päť typov rakoviny, na ktoré doteraz neexistuje skríning.

TECH_FM

Historici sa mýlia, čiernu smrť roznieslo čosi iné

Nový výskum naznačuje, ako sa problém šíril.

NASA testuje jadrový reaktor pre astronautov na Marse

Prvotné testy kompaktného reaktora v americkej Nevade boli úspešné.

Legendárna hra Age of Empires sa vráti v modernom prevedení vo februári

Hru museli v mnohých smeroch prepracovať, aby fungovala na moderných počítačoch.

Inzercia - Tlačové správy


  1. Aké sú gastrotrendy pre rok 2018?
  2. Chcete bývať na dobrom mieste? Zakotvite v Adlerovej!
  3. Objavte majestátne Tatry kúsok po kúsku
  4. Egejská riviéra: Ktoré letovisko je pre vás najlepšie?
  5. Slovensko má pralesy, púšť aj kameňopád. Už ste ich videli?
  6. Volkswagen T-Roc: Pre nerozhodných
  7. Leto 2018 v Grécku s odletom z Bratislavy
  8. Dlhopisy 7,25 % p.a. majú najvýhodnejšiu nákupnú cenu v roku
  9. Zelené Grunty vám ponúknu viac, ako očakávate
  10. Kam do tepla v januári?
  1. Aké sú gastrotrendy pre rok 2018?
  2. Chcete bývať na dobrom mieste? Zakotvite v Adlerovej!
  3. Objavte majestátne Tatry kúsok po kúsku
  4. Alarica – new business project in the market of shoes
  5. Ako jazdiť na snehu alebo ľade?
  6. Egejská riviéra: Ktoré letovisko je pre vás najlepšie?
  7. Slovensko má pralesy, púšť aj kameňopád. Už ste ich videli?
  8. Toto tajomstvo vrcholoví športovci dlho skrývali
  9. Vlani sme si vyberali z vyše pol milióna inzerovaných áut
  10. V centre našej pozornosti sú zákazníci. Už 50 rokov
  1. Egejská riviéra: Ktoré letovisko je pre vás najlepšie? 18 645
  2. Slovensko má pralesy, púšť aj kameňopád. Už ste ich videli? 8 186
  3. Volkswagen T-Roc: Pre nerozhodných 3 367
  4. Leto 2018 v Grécku s odletom z Bratislavy 2 124
  5. Kam do tepla v januári? 1 788
  6. First moment Turecko: využite zľavy na špičkové hotely 1 529
  7. Dlhopisy 7,25 % p.a. majú najvýhodnejšiu nákupnú cenu v roku 1 402
  8. Tatra banka spustila najmodernejší internet banking pre firmy 1 322
  9. Demänovku mieša iba jeden človek. Ako si strážia receptúru? 904
  10. Zelené Grunty vám ponúknu viac, ako očakávate 857