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.

Chcete dostať upozornenie na najnovší článok tohto autora?
Objednajte si notifikáciu priamo na váš e-mail.
Odoberať autora na email

Najčítanejšie na SME Tech

Téma: Rozhovory z denníka SME


Hlavné správy zo Sme.sk

DOMOV

Mistrík odstúpil z prezidentského súboja, podporil Čaputovú

Mistríkovo rozhodnutie ocenil aj prezident Kiska a tiež podporil Čaputovú.

KOMENTÁR PETRA TKAČENKA

Toto by Čaputová nemala zahodiť

Po dvadsiatich rokoch môže prvé kolo vyhrať blok mimo Smeru a HZDS.

AUTO

Prichádza malé SUV Škoda Kamiq. Aké sú naše prvé dojmy?

Zaboduje priestorom aj bohatou výbavou.

Neprehliadnite tiež

Google chce zmeniť herné odvetvie

Predstavil novú streamovaciu službu Stadia.

Sociálna sieť Google+ prestane fungovať začiatkom apríla 2019.
Prelet okolo rovníka, záber vznikol zo vzdialenosti 13 kilometrov.

Ľudia, ktorí po eskalátore kráčajú, sú tak trochu sebci

Ľudia v stoji potrebujú menej priestoru.

Ako používate eskalátor? Stojíte alebo kráčate po ľavej strane?
Karen Uhlenbecková.
Ilustračné foto.

Inzercia - Tlačové správy

  1. Premýšľate o aute do 10 000 eur? Poradíme vám, ako nenaletieť
  2. Doplňte si knižnicu o svetovú klasiku už od 99 centov
  3. Žiaci sa šikanovali, dnes si pomáhajú. Pomohlo sedem krokov
  4. Investment Advisory Guide for Slovakia
  5. Jazdili sme na novom Volkswagene T-Cross!
  6. Slovensko čaká najdôležitejšie politické rozhodnutie roka
  7. Obľúbené Tunisko sa vracia do ponuky dovoleniek na rok 2019
  8. Máte pri čítaní „krátke ruky“? Vitajte vo svete štyridsiatnikov
  9. Test LG OLED B8: špičkový 4K televízor za cenu, akú ste nečakali
  10. Netradičná dovolenka? Plavba Stredomorím aj s letenkami v cene
  1. Doplňte si knižnicu o svetovú klasiku už od 99 centov
  2. Žiaci sa šikanovali, dnes si pomáhajú. Pomohlo sedem krokov
  3. FORUM PREŠOV má platné stavebné povolenie a začína s výstavbou
  4. Slávnostná inaugurácia rektora a dekanov fakúlt EU v Bratislave
  5. Investment Advisory Guide for Slovakia
  6. Ako naučiť vaše deti správne zaobchádzať s peniazmi?
  7. Spolupráca Katedry architektúry SvF s mestskou časťou Dúbravka
  8. Ročné cestovné poistenie vás chráni dlhšie a je výhodnejšie
  9. Podmienky predaja spoločnosti s.r.o., ktorá je platcom DPH
  10. Jazdili sme na novom Volkswagene T-Cross!
  1. Slovensko čaká najdôležitejšie politické rozhodnutie roka 24 699
  2. Premýšľate o aute do 10 000 eur? Poradíme vám, ako nenaletieť 23 572
  3. Netradičná dovolenka? Plavba Stredomorím aj s letenkami v cene 20 965
  4. Prievidzská firma je malý zázrak. Uznáva ju americké letectvo 15 608
  5. Test LG OLED B8: špičkový 4K televízor za cenu, akú ste nečakali 15 255
  6. Obľúbené Tunisko sa vracia do ponuky dovoleniek na rok 2019 12 335
  7. Máte pri čítaní „krátke ruky“? Vitajte vo svete štyridsiatnikov 6 523
  8. Príspevok až 1750 € môžu získať záujemcovia o solárne kolektory 4 578
  9. Ako veľmi eko sa dá byť vo firme s 2 300 zamestnancami? 3 715
  10. Reportáž: Boli sme pri krste novej lode Costa Venezia 3 391