Как расщепляют мгновение - [3]

Эта работа относится к разделу физики под названием «физика поверхности». Физика поверхности изучает, грубо говоря, то, что происходит на поверхности твердого тела — например, кристалла. На самом деле, там происходит много интересного, там есть термодинамические, электрические, магнитные явления, механические явления. И они все протекают, как правило, совсем иначе, чем в толще. Поэтому в этой области физики конденсированных сред есть свои загадки, свои проблемы и свои методы исследования.

Один из конкретных вопросов, который очень важен, конечно, для этой области, — вопрос о том, как живет атомарно гладкая поверхность кристалла при конечной температуре, то есть при обычной комнатной температуре. Что значит «атомарная гладкость»? Это значит, что его вырастили атомарно гладко и дальше отпустили в свободное плавание. Он же не будет непрерывно вот так стоять, там есть тепловые флуктуации, и иногда эти флуктуации заставляют какой-нибудь атом выпрыгнуть и начать гулять по поверхности. А на месте этого атома тогда появляется поверхностная дырка — называется она «вакансия», — которая тоже, оказывается, обладает подвижностью: она начинает гулять туда-сюда. Как вакансия гуляет, это тоже понятно. Просто соседние атомы перескакивают в нее, и в результате получается, что вакансия как бы перемещается. Так вот. Эти вакансии... Это значит, что атомарно гладкую поверхность можно представлять себе как разреженный газ двух типов частиц: поверхностные атомы, которые прыгают поверху, и вакансии, которые тоже вот как-то так диффундируют. У этого газа есть своя концентрация, есть свой типичный коэффициент диффузии, свои типичные времена перескоков, и это всё надо изучать, поскольку это действительно то, как живет поверхность.

Итак, возникает вопрос: как изучить диффузию поверхностных вакансий? Первое желание, конечно, просто взять и посмотреть с помощью какого-нибудь метода с высоким разрешением. Например, есть такой метод — сканирующая туннельная микроскопия, — с помощью которого можно видеть отдельные атомы. Но, к сожалению, этот метод очень медленный. Для того чтобы получить снимок даже небольшого участка поверхности, требуется время порядка секунды. В то же время теоретические оценки говорят о том, что все эти вакансии атома перемещаются за времена порядка наносекунд. С помощью этого метода ничего не получишь. С другой стороны, конечно, есть методы и быстрые, которые я потом еще покажу, но у них, как правило, есть очень плохое пространственное разрешение: они отдельный атом просто не видят. В результате возникает дилемма: как на эти вакансии взглянуть, чтобы их увидеть. Требуется некоторая экспериментальная хитрость.

И такую экспериментальную хитрость реализовали несколько лет назад ученые. Они сделали такую вещь: они решили на поверхность выращенного кристалла посадить примесные атомы, то есть атомы какого-то другого сорта. Эти атомы хорошо видны в сканирующий туннельный микроскоп, просто они отличаются по своим свойствам от атомов подложки. Эти атомы, когда их только посадили, встраиваются в верхний приповерхностный слой и, как правило, там сидят неподвижно. Сидят, сидят, сидят... Можно делать снимок за снимком — через каждую, скажем, секунду — какого-нибудь участка, и будет видно, что атомы там сидят неподвижно. Но в тот момент, когда какая-нибудь вакансия прибегает (она же бегает очень быстро), она прибегает и взаимодействует с этими примесными атомами, перемещает их на несколько шагов атомной решетки и снова убегает. В результате получается, что на следующем кадре уже эти примесные атомы будут сдвинуты. И изучая эти перескоки атомов, которые происходят на самом деле очень редко, можно выяснить и динамику, диффузию вот этих вакансий.

Вот картинка из экспериментальной работы (подробнее о работе см.: Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла). На самом деле, конечно, там было много картинок получено, а это просто типичная картинка. Вот здесь показан небольшой участок поверхности меди, на которой сидят примесные атомы индия. Температура была 320 кельвинов, то есть вполне комнатная температура. Естественно, никаких вакансий не видно, потому что этот метод очень медленный. Зато видно сидящие примесные атомы. Вот последовательность из четырех кадров. Между первыми двумя прошло 160 секунд, то есть за 160 секунд они никуда не сдвинулись. Между вторым и третьим прошло 20 секунд, и за 20 секунд мало того что они оба перепрыгнули куда-то, так еще в кадр попали какие-то другие атомы. Это вполне согласуется с тем механизмом перемещения за счет вакансий, про который я говорил. Когда экспериментаторы обработали все данные, они смогли восстановить динамические свойства вот этих вакансий. То есть оказалось, что действительно у них очень маленькая концентрация, кроме всего прочего. И оказалось, что типичное время перескока — порядка 10 наносекунд. То есть это интересная иллюстрация того, что очень медленный инструмент позволяет иногда изучить динамику намного более быстрых явлений, если правильно, хитро поставить эксперимент.

Пикосекунды