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.
