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

KOMENTÁRE

Môže sa ľahko stať, že českú vládu povedie Slovák

Dôvody, pre ktoré by väčšina Čechov mala závidieť Slovákom ich politiku. Preferencie potvrdzujú, že tretina ľudí si ešte nevybrala.

ŠPORT

Milióny na jeho plat? Výskumy ukázali, že Sagan sa oplatí

Tím Bora-Hansgrohe zhodnotila prvú sezónu v najvyššej lige, očakával viac.

SVET

Vojna sa dnes nedá vyhlásiť. A už vôbec nie cez Twitter

KĽDR považuje tweety prezidenta USA za vyhlásenie vojny. Washington namieta.

Neprehliadnite tiež

OBJEKTÍV

Ako vyzerá zrodenie hviezd? Pozrite si jasle v Mliečnej ceste

Herschelov teleskop pomohol astronónom pri skúmaní vzniku hviezd nevídaným spôsobom.

Vedci vystresovali ryby. Dokázali, že majú osobnosť

Niektoré gupky znehybnia, iné sú odvážnejšie.

Po EÚ začne tlačiť na technologické firmy aj USA

Vládam sa nepáči, že morálka na internete sa rozchádza s tou, ktorou sa riadime pri spoločenskom vystupovaní.

Veľkosťou srdca budete odomykať dvere, mobil aj auto

Skenovanie srdca je bezpečnou biometriou budúcnosti.

Inzercia - Tlačové správy


  1. Zľava 3000 € na 3-izbové byty v Jarabinkách
  2. Projekt Seberíniho: 60% vypredané ešte pred začiatkom kampane
  3. Hyundai Tucson Shadow určite nezostane v tieni.
  4. 6 dôvodov, prečo začať posielať peniaze cez VIAMO (a ako na to)
  5. Stačí len mechanické, alebo elektronické zabezpečenie vozidla?
  6. Aký vplyv by mal konflikt v Kórei na vaše investície?
  7. Atraktívnejšie učenie vďaka digitálnym technológiám
  8. JUDr. Barbora Sabó: Dobrý maklér šetrí čas, peniaze i nervy!
  9. Rastie nám pokrivená generácia?
  10. Intímna hygiena – celoročná záležitosť
  1. Otvorenie akademického roka 2017/2018 na EU v Bratislave
  2. Projekt Seberíniho: 60% vypredané ešte pred začiatkom kampane
  3. FSEV UK v Bratislave: Prax je súčasťou študijných programov
  4. 6 dôvodov, prečo začať posielať peniaze cez VIAMO (a ako na to)
  5. Hyundai Tucson Shadow určite nezostane v tieni.
  6. Stačí len mechanické, alebo elektronické zabezpečenie vozidla?
  7. Exkurzia odborárov a absolventov SvF STU v Bratislave 2017
  8. Zvolen: Zvolenčania myslia na zabezpečenie svojich domovov
  9. Detské zúbky sú veda
  10. Atraktívnejšie učenie vďaka digitálnym technológiám
  1. Zanzibar je plný lákadiel na dokonalú exotickú dovolenku 6 735
  2. 6 dôvodov, prečo začať posielať peniaze cez VIAMO (a ako na to) 3 964
  3. Rastie nám pokrivená generácia? 3 107
  4. Intímna hygiena – celoročná záležitosť 2 616
  5. 3 mýty, ktorým ste možno uverili. Ale ako je to naozaj? 1 795
  6. JUDr. Barbora Sabó: Dobrý maklér šetrí čas, peniaze i nervy! 1 243
  7. Zľava 3000 € na 3-izbové byty v Jarabinkách 1 166
  8. Kedy sa refinancovanie oplatí? 1 084
  9. Plug-in, hybrid alebo elektromobil? Poradíme, ako správne vybrať 1 058
  10. Aký vplyv by mal konflikt v Kórei na vaše investície? 976