No cóż, firmy IBM nie znajdziemy na liście laureatów nagrody Nobla z fizyki. Ale pracowników z jej laboratoriów już tak. W latach 80-tych były dwie takie nagrody. Obie w swoim czasie dość głośne: mikroskop tunelowy i nadprzewodniki wysokotemperaturowe:
- 1986 G. Binnig i H. Rohrer – projekt skaningowego mikroskopu tunelowego
- 1987 J. G. Bednorz i K. A. Mueller – postęp w odkryciu nadprzewodnictwa materiałów ceramicznych
W tekście skupię się na tym pierwszym wynalazku.
W laboratorium
Powtórzę teraz zasłyszaną w tamtym czasie opowieść, jak do zbudowania mikroskopu doszło, a osoby lepiej zakotwiczone w branży proszone są o ewentualne sprostowania. W końcu pamięć może oszukiwać.
Zatrudnieni przez IBM mieli podobno wolną rękę. Firma nie sprawdzała ich jakoś specjalnie, czy coś pożytecznego zrobili – ot, ciążył na nich biurokratyczny obowiązek spisywania, nawet ręcznie, czym danego dnia się zajmowali. A ci wymyślili sobie, że skonstruują mikroskop, podobny trochę do skaningowego mikroskopu elektronowego – charakterystyczne obrazki pochodzące z takich mikroskopów mogliśmy oglądać na przykład w programie „Sonda” Kurka i Kamińskiego. Taki mikroskop elektronowy jest strasznie drogi, planowany model miał być o wiele tańszy.
Badacze wymyślili sobie, że wykorzystają efekt tunelowy. Nad przewodzącą próbką chcieli umieścić igłę – między jednym a drugim podłączone miało być napięcie. Elektrony swobodne z próbki miały tunelować przez próżnię do igły – klasycznie nie mogłyby pokonać pracy wyjścia. Liczba przetunelowanych elektronów – mierzona jako prąd – jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa opisanego w poprzednich notkach. Ponieważ prawdopodobieństwo zależy eksponencjalnie od szerokości bariery – tu odległości między próbką a igłą – mierzony prąd jest bardzo czuły na zmiany tej odległości. Igła skanuje badaną próbkę, linia obok linii, prąd się mierzy i na tej podstawie można narysować na komputerze mapę powierzchni. Akurat w ich konstrukcji, poprzez sprzężenie zwrotne, manipulowano pozycją igły, żeby prąd tunelowy – a co za tym idzie odległość od próbki – były stałe.
Ominę tu problemy techniczne, jakie stanęły na drodze późniejszych noblistów. Napiszę tylko, że ich główny kłopot stanowiła eliminacji drgań. Gdy zmusza się igłę, by ta przesunęła się o długość rzędu odległości międzyatomowych, zwykłe kichnięcie może rozhuśtać i igłą, i próbką o wiele większe wychylenia. Badacze kombinowali z tłumieniem i zdaje się, że sukces osiągnęli również poprzez zmniejszenie układu pomiarowego.
Do subtelnego sterownia igłą zatrudniono zjawisko piezoelektryczne. Wiekowym osobom, powinno być znane ze starych gramofonów – drgania piezoelektrycznej igły skutkowały powstawaniem pola elektrycznego, które po detekcji „przekierowywane” było do wzmacniacza[1]. W mikroskopie wykorzystano to zjawisko „w drugą stronę”: pole elektryczne odchylało piezoelektryk z zamontowaną igłą (lub próbką).
Konstruktorzy mieli trochę szczęścia, bo najpierw szacowali sobie, jak ostrą igłę da się im uzyskać – wydawało się, że z taką dokładnością będzie można zmierzyć szczegóły badanych powierzchni. Potem okazało się, że jest o wiele lepiej, bo możliwa dokładność, to odległość rzędu szerokości zajmowanej przez jeden atom – nawet dla bardzo „nieostrej” igły, któryś jej kawałek jest tym najbardziej oddalonym i to on właśnie bierze udział w pomiarze. Wpływ od reszty jest znakomicie, bo eksponencjalnie, mniejszy.
Obrazek z wykładu noblowskiego – kropeczki obrazują
prawdopodobieństwo znalezienia elektronu
Początkowo osiągane dokładności były gorsze od rozmiarów atomu, ale wkrótce technologia rozwinęła się na tyle, że już w 1990 możliwe były do osiągnięcia takie „zdjęcia”, jak to poniżej:
Refleksja
Obie wspomniane nagrody dają do myślenia. Po pierwsze nie wymagały dużych nakładów finansowych ani zaawansowania technologicznego. Dość szybko, bo w przeciągu kilku lat oba wyniki zostały w Polsce powtórzone. W dziedzinie nadprzewodzących spiekanek najlepszymi rezultatami chwalił się bodajże Poznań. Jeśli chodzi o mikroskop tunelowy, to taki powstał przykładowo we wrocławskim Instytucie Fizyki Doświadczalnej – o ile dobrze pamiętam koszt „wyprodukowania” nie przekraczał 50 tysięcy dolarów, co nawet w socjalistycznej Polsce, z niebotycznym kursem dolara, nie było niemożliwą do uzyskania kwotą.
Piszę o pieniądzach, żeby pokazać, że laboratoria IBM nie wydały jakichś gigantycznych funduszy na te dwa badania, które zaowocowały nagrodami Nobla. Zarówno wtedy, a tym bardziej dziś, nasze krajowe placówki stać, w sensie finansowym oraz technologicznym, na takie odkrycia.
[1] Wkładki gramofonowe tego typu (tzw. adaptery, stąd popularna nazwa całego urządzenia) dawały silny sygnał, ale wymagały stosunkowo dużego nacisku igły na płytę – zdecydowanie lepsze były gramofony z wkładką elektromagnetyczną, choć wymagały lepszego wzmacniacza.
