Manipulace s atomy a elektrony

Mikrotechnologické postupy se podařilo propracovat do té míry, že dovolují provádět manipulace dokonce i s jednotlivými atomy a vytvářet tak miniaturní objekty, že se v nich projevuje kvantové chování elektronů. Jednou z technik, která přispěla k výsledkům v tomto směru nejpozoruhodnějším, je tzv. řádkovací tunelovací mikroskopie (scanning tuneling microscopy). Ta dovoluje dosáhnout atomárního rozlišení, tj. zobrazovat polohy jednotlivých atomů v povrchu objektů tím způsobem, že se v nepatrné vzdálenosti nad povrchem řádkovacím způsobem pohybuje miniaturní kovový hrot a registrují se jeho vertikální výchylky při udržování konstantního tunelovacího proudu nebo konstantní síly k povrchu (atomic force microscopy).

Pracovníci výzkumného střediska IBM v kalifornském San Jose nedávno ukázali, že tohoto zařízení lze využít nejen k zobrazovacím účelům, ale za podmínek vysokého vakua i k manipulaci s jednotlivými atomy na povrchu objektu. Postupuje se tak, že se hrot přiblíží např. nad atom Xe ležící na povrchu monokrystalu niklu, tento atom se zvýšením tunelovacího proudu naváže na hrot a takto jej lze přenést do jiné polohy a opět vrátit zpět na povrch krystalu. Tato technika byla demonstrována zapsáním písmen IBM pomocí 35 atomů Xe, kdy jednotlivá písmena byla vysoká pouhých 5 nm (viz Vesmír 69, 655, 1990/11). Na povrchu monokrystalu niklu se podařilo umístit velmi těsně vedle sebe sedm atomů xenonu tak, že vzdálenost mezi nimi byla pouhých 0,5 nm. Na témže pracovišti se podařilo zmíněnou technikou zkonstruovat i atomární přepínač tvořený jediným atomem xenonu, který se vkládáním krátkodobých napěťových pulzů střídavě přemísťuje mezi hrotem a povrchem, viz obr. níže. Přemísťování atomu signalizují výrazně vyšší hodnoty tunelovacího proudu, je-li atom xenonu v poloze na hrotu.

Tato mikromanipulační technika byla konečně použita i k vybudování tzv. kvantové ohrady na povrchu krystalické plochy (111) mědi. Ohrada byla sestavena ze 48 atomů železa, které byly rozmístěny ve tvaru kruhu o průměru 14 nm, jak to ukazuje obr. na obálce. Ohrada rozptyluje elektrony povrchových stavů, je pro ně neprostupná a omezuje je do prostoru uvnitř ohrady. To je ovšem velmi malý prostor, v němž se u elektronů začíná uplatňovat jejich vlnová povaha, takže jejich energie mohou nabývat jen kvantovaných hodnot. Řešením rovnic popisujících stav elektronu omezeného do potenciálové studně malých rozměrů lze příslušné energie vypočítat a výsledky konfrontovat s hodnotami energie odvozenými z měření hustot elektronů povrchových stavů uvnitř ohrady, která lze provádět rovněž tunelovacím mikroskopem. Vcelku byla zjištěna dobrá shoda až na určité odchylky, pro něž existuje vysvětlení. Touto technikou lze získat obraz jak o prostorovém, tak o energetickém rozložení.

Existují ovšem i jiné techniky, kterými lze elektrony omezit do malého prostoru např. v polovodičích a zkoumat jejich chování: K omezení elektronů do tzv. kvantové tečky se používá elektrostatických sil v mnohovrstevnatých polovodičových strukturách (GaAlAs), kde je tečka oddělena velmi tenkou izolační vrstvou od kovové elektrody a vzniká tak miniaturní kondenzátor. S tímto systémem lze provádět tzv. jednoelektronovou kapacitanční spektroskopii, kdy se v podstatě měří přechod jednotlivých elektronů do tečky tunelováním přes izolační vrstvu. O kvantovém chování elektronů omezených do malého prostoru svědčí ta okolnost, že elektrony do tečky přecházejí právě za podmínek, kdy kvantové hladiny uvnitř tečky jsou shodné s úrovní Fermiho hladiny v kovové elektrodě. Zde se studuje chování elektronů v systému atomů pevné fáze, tedy za podmínek, kdy jsou ovlivněny silovým působením atomů mřížky. Neméně zajímavé jsou i studie elektronů v atomech, které nejsou vystaveny vzájemnému působení. Uplatňuje se další technika manipulace s atomy, přesněji řečeno s jejich skupinami. Manipulačním nástrojem jsou svazky záření z laditelných laserů, které působí na atomy určitým optickým tlakem v důsledku rezonanční absorpce a Dopplerova jevu. V prostoru vymezeném křížením tří vzájemně kolmých párů svazků laserového záření, do kterého je navíc aplikováno nehomogenní magnetické pole, dochází jednak k extrémnímu ochlazení např. ceziových atomů na teplotu několika mikrokelvinů a k jejich imobilizaci. Takto připravené atomy je pak navíc možno uspořádat do jakési krystalické mřížky, která je však velmi řídká ve srovnání s normálními krystaly. Dosahuje se toho opět pomocí vhodně geometricky uspořádaných a křížících se laserových svazků, které vzájemnou interferencí vytvářejí pole stojatých vln s uzly vzájemně vzdálenými např. desetinu mikronu. Uzly jsou jakousi matricí, ve které se mohou zachycovat ceziové nebo rubidiové atomy a vytvářet tak řídké krystaly. V nich se jednotlivé atomy silově vzájemně neovlivňují a v těchto výjimečných podmínkách vykazují velmi zajímavé optické chování.

Pomocí stejné techniky si nedávno vědci zahráli jakýsi atomární ping-pong. Obláček ceziových atomů nejprve ochladili a imobilizovali, stabilizační laserové svazky pak vypnuli a atomy nechali volným pádem klesat na zvláštní duté zrcadlo. Jiným laserovým svazkem docílili odrazivosti povrchu zrcadla. Pomocí fluorescence cezia zjistili, že se obláček atomů od zrcadla odrazil, znovu klesl – a to se opakovalo asi desetkrát, podobně jako když pingpongový míček spustíte na tvrdou podložku.

Takové experimenty nejsou jen zajímavými hrami, ale představují významné prohloubení našeho poznání a jsou výchozím bodem pro řadu smysluplných praktických využití.