Атомы меди на ощупь оказались «бубликами»

Физики из Университета Регенсбурга и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене обнаружили, что АСМ-изображения атомов меди и железа, адсорбированнх на медной поверхности, напоминают бублики. Это означает, что такие атомы слабее отталкивают «ощупывающий» зонд микроскопа в центре по сравнению с периферией. Такой результат можно назвать неожиданным, так как полученные похожим методом более ранние изображения имели форму обычных пиков. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science.

Для получения сканов в различных методах сканирующей зондовой микроскопии используется специальная игла. Она помещается над образцом и «ощупывает» его. Прибор фиксирует параметры взаимодействия зонда с образцом — это могут быть механическое отталкивание, как в атомно-силовой микроскопии, сила тока, протекающего между иглой и образцом — как в туннелирующей микроскопии, или магнитные взаимодействия. Чем меньше радиус закругления острия, тем качественнее получается изображение.

Авторы работы использовали иглу, на кончике которой была закреплена единичная молекула угарного газа — CO. Подобный подход ранее уже позволял получать сканы атомного разрешения органических молекул.

При исследовании атомов меди, расположенных на поверхности медной подложки, оказалось, что их профиль представляет собой не выпуклую полусферу, чего можно было бы ожидать, а имеет тороидальную форму. Ранее исследователи из Института Физики Твердого Тела РАН уже получали сканы субатомного разрешения родственным методом — сканирующей туннельной микроскопией. Однако полученные ими картины представляли собой наборы «бугорков», а не «бубликов». 

Авторы нового исследования связывают необычность полученной формы атомов с тем, что на силы, отталкивающие зонд, оказывает сильное влияние симметрия орбиталей. Отличие атомно-силовых изображений от получаемых с помощью туннельной микроскопии связанно с различием в наблюдаемых явлениях. В последнем методе туннелирование электрона происходит из зоны Ферми, а микроскоп следит за силой туннельного тока, и строит изображения основываясь на ней. Атомно-силовая же микроскопия при таких разрешениях определяет силу отталкивания электронных оболочек атомов образца от атомов зонда.

Это не первый случай использования атомно-силовой микроскопии для визуализации субатомных структур. Ранее этим же методом уже удавалось получить изображения атомов кремния в кристалле.