Уже первый вариант микроскопа, созданный Мюллером в 1936 году, обеспечивал разрешение в два нанометра. Это было лучше параметров просвечивающего микроскопа Руски, но Мюллер был недоволен: получить изображение атомов не удавалось.
Он продолжал упорно работать над совершенствованием своего прибора, но тут в дело вмешалась война. После ее окончания Мюллер, как и Руска, оказался в Западном Берлине, где проводил свои исследования в Институте физической химии и электрохимии, одновременно преподавая в Техническом университете. И тут на помощь Мюллеру пришел случай, вернее, две досадные случайности. В высоковакуумную установку по недосмотру попало небольшое количество водорода, а сам исследователь ненароком поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. Пучок заряженных частиц состоял теперь не из электронов, а из положительно заряженных ионов водорода (протонов), и под их действием на пластинке появилось изображение кончика иглы с куда лучшим разрешением, чем в случае электронов. Так был создан ионный полевой микроскоп. С его помощью Мюллер впервые разглядел небольшие молекулы, но ему этого было мало.
Позже Мюллер заменил водород на гелий и неон. Как образуются ионы в случае инертных газов? Мюллер полагал, что атомы инертных газов предварительно адсорбируются на поверхности иглы. Но впоследствии оказалось, что адсорбция здесь ни при чем и при высоком положительном потенциале иглы электрон с внешней электронной оболочки атома инертного газа туннелирует через вакуум к поверхности металлического образца.
Выяснилось это уже в США, куда Мюллер эмигрировал в 1952 году. В Пенсильванском университете Мюллер вместе со своими студентами и аспирантами занимался усовершенствованием нового микроскопа. Для получения качественных изображений они стали использовать сверхнизкие температуры, но чувствительности все равно не хватало. Оказалось, что корень проблем был в предварительной подготовке иглы. Традиционно все твердые поверхности перед проведением физических исследований очищают от адсорбированных примесей нагреванием в глубоком вакууме. Но при этом все острые выступы оплавляются, то же происходило и с кончиком иглы. Аспирант Мюллера Канвар Баадур предложил новый способ очистки иглы, и дело пошло на лад.
11 октября 1955 года Баадур поместил в установку вольфрамовую иглу и получил на флуоресцентном экране первое в истории изображение атома, находившегося на самом кончике иглы. Очевидцы потом вспоминали, что у присутствовавшего при эксперименте Мюллера от волнения из головы вылетели все английские слова и он начал кричать по-немецки: “Я вижу атом! Да, атом!” Его мечта сбылась.
Бывшие сотрудники Мюллера вспоминали, что все они с момента получения первого изображения атома жили в ожидании, когда же шефу присудят Нобелевскую премию по физике. Но этого так и не произошло. Отчасти это связано, на мой взгляд, с настороженным отношением научного сообщества к немецким ученым, работавшим в Германии во время Второй мировой войны, – а ну как они занимались военными разработками. Подозрения эти имели под собой основания, и кому как не ученым из стран-победительниц было это знать – они сами во время войны именно этим и занимались. Должно было пройти много времени, чтобы затянулись раны войны. Руске в этом смысле повезло больше: он дожил до своей Нобелевской премии. Мюллер не дожил. Он скончался в 1977 году.
Заметим также, что сообщение Мюллера о получении изображения атома было встречено научным сообществом с изрядным скепсисом. Нет, против самой “картинки” никто не протестовал, она была принята как экспериментальный факт. Возражали против ее интерпретации. Фотография представляла собой довольно сложный симметричный узор, в центре которого располагался небольшой круг. Мюллер увидел в нем атом, то, что давно мечтал увидеть. У коллег, не разделявших его маниакальной страсти, были на этот счет другие мнения.
Более того, сообщение Мюллера возродило в среде физиков-теоретиков давний спор о том, можно ли вообще увидеть атом. Ведь электроны в атоме подчиняются законам квантовой механики и определить их точное местоположение невозможно. Атом – это зыбкое нечто, не имеющее четких границ, необходимых для формирования любого изображения. Отсюда следовал куда более глобальный вывод, что и манипулировать атомами, как частицами твердого тела, тоже невозможно. В 1959 году по этому поводу высказался гуру теоретической физики Ричард Фейнман (1918–1988): “Законы физики, насколько я их понимаю, не запрещают манипулирование атомами”. Это было “ощущение”, не подкрепленное никакими математическими выкладками, на которые горазды квантовые механики. Но уже в то время физики поняли, что ощущениям этого неординарного ума можно доверять, так что споры постепенно ушли в песок, так ничем и не разрешившись. Дело было отдано на откуп экспериментаторам.
А те продолжали работать. Следующий важный прорыв связан с именем американского исследователя Рассела Янга. Его путь в науку был долог. Юность Янга пришлась на Вторую мировую войну. Три года он прослужил в войсках противовоздушной обороны и лишь в 1953 году смог окончить Политический институт Ренсселира. Диссертацию защитил в Пенсильванском университете в 1959 году. Возможно, вы уже догадались, кто был его научным руководителем, – Эрвин Мюллер, который вообще воспитал очень много высококлассных специалистов. В 1961 году Янг перешел на работу в Национальное бюро стандартов, которое в США не только плодит бумаги, но и разрабатывает новые методы анализа и соответствующее оборудование. Янгу выпало заниматься изучением характеристик поверхности различных материалов. В 1969 году он вместе со своими сотрудниками Джоном Уордом и Фредериком Скайром сконструировал прибор, названный ими топографинером.
Янг объединил в одном устройстве принципы и элементы, опробованные в других описанных выше электронных микроскопах: зонд, сканирование, игла, туннелирование электрона. Но если для Мюллера игла была объектом исследования, то Янг превратил ее в инструмент исследования, в зонд, который перемещался над поверхностью анализируемого образца. На иглу подавали отрицательный потенциал и измеряли силу электрического тока между поверхностью и иглой, обусловленного полевой эмиссией электронов с кончика иглы. В ходе экспериментов Янг также обнаружил, что при приближении иглы к поверхности все больший вклад в электрический ток вносит туннелирование электронов. Этот эффект имеет квантовую природу и выражается в “перескоке” электрона с кончика иглы-зонда на поверхность образца. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и поверхностью и при изменении расстояния всего лишь от полутора до одного нанометра увеличивается в тысячи раз.
Впрочем, Янг установил лишь предварительный вид этой зависимости, над ним довлела другая проблема – как обеспечить точное позиционирование кончика иглы над поверхностью образца. Для этого он использовал пьезоэлементы, сделанные на основе кристаллов, способных изменять свои линейные размеры под действием электрического напряжения. Три таких пьезоэлемента обеспечивали перемещение иглы в трех направлениях с точностью до одной сотой нанометра – уму непостижимо!
Кроме того, Янг предложил оригинальную технику сканирования. Казалось бы, чего тут выдумывать, закрепи образец строго горизонтально и проведи над ним иглу. Но на любой поверхности неизбежно присутствуют выступы, о которые игла может сломаться, и ямки. Так как сила тока резко зависит от расстояния, то глубокие и мелкие ямки будут малоразличимы. Янг проводил иглу над поверхностью таким образом, чтобы сила электрического тока оставалась постоянной. Это обеспечивалось разработанной им системой обратной связи, которая непрерывно перемещала иглу в вертикальном направлении над поверхностью образца, поднимая ее над выступами и опуская над ямками. Траектория движения кончика иглы в точности повторяла профиль поверхности.
Дополнительные технические сложности привнесло использование сверхнизких температур и высокого вакуума. На решение всех проблем ушло два года, в 1971 году Янг представил работающий образец топографинера, который обеспечивал определение шероховатости поверхности с разрешением по вертикали в три нанометра. Этого было явно недостаточно, чтобы разглядеть атомы на поверхности, но Янг на это и не замахивался. Он планировал продолжить работы по совершенствованию прибора, но у его начальства на этот счет было другое мнение. Работы по топографинеру были свернуты, а Янга перебросили на создание калибровочных стандартов для микроэлектронной промышленности.
Проблема анализа поверхности между тем становилась все более насущной. Особенно остро она стояла в компании IBM, производившей разнообразные микроэлектронные устройства. В Базеле, в Швейцарии, у IBM было специальное исследовательское подразделение, которое занималось, в частности, разработкой методов анализа полупроводниковых материалов. Руководил этими работами Генрих Рорер. В 1978 году он пригласил на работу молодого немецкого физика Герда Биннига, которому было суждено вписать одну из ярчайших страниц в развитие мировой науки.
Впрочем, этого ничто поначалу не предвещало. Родился Бинниг в 1947 году во Франкфурте-на-Майне, физикой увлекся в десятилетнем возрасте, но потом еще сильнее увлекся музыкой, футболом, плаванием. Физический факультет Франкфуртского университета он окончил без отрыва от выступлений со своей рок-группой. Эта веселая жизнь продолжилась и в аспирантуре, не образумила Биннига и ранняя женитьба. Занимался он в аспирантуре туннельной спектроскопией полупроводников, эта работа все больше приводила его к мысли, что он сильно ошибся с выбором профессии. Схоластика, рутина, никакого творчества!
Взялся за ум Бинниг, по его собственному выражению, под влиянием личного психоаналитика – жены Лоры. В 1978 году он таки защитил диссертацию и принял предложение Рорера поступить на работу в швейцарское отделение IBM. Биннигу было поручено придумать что-нибудь, что позволяло бы обнаруживать дефекты в сверхтонких пленках, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. “Придумать” – это слово было для Биннига самым важным, он понял, что попал в нужное место. Он предложил использовать хорошо знакомый ему туннельный эффект и после детального изучения научной литературы принялся измерять величину туннельного тока в зависимости от удаления кончика иглы от поверхности. Многие сотрудники отделения сочли эту идею бредовой, некоторые прямо говорили Рореру, что он сделал ставку не на того человека, но Рорер идею поддержал и даже выделил Биннигу на подмогу молодого талантливого инженера Кристофа Гербера.