Новая технология позволяет сканирующему электронному микроскопу работать в качестве «сонара», зондируя электронами структуру металлов. Благодаря этому нанотехнологии получат еще одни мощный исследовательский инструмент.

Ученые из Германии (города Göttingen, Halle и Jülich) смогли увидеть поверхность Ферми, благодаря которой можно узнать важнейшие свойства металлов. О своих достижениях исследователи сообщили в текущем выпуске журнала Science.

«Поверхность Ферми, выражает, по сути дела, индивидуальность каждого металла», – поясняет профессор Стефан Благел (Stefan Blügel) из Института Юлиха (Jülich Institute). Такие важные параметры металлов как проводимость, теплоемкость и магнетосопротивление определяются картиной поверхности Ферми.

Рис. 1. Это поверхность Ферми вокруг атома кобальта, расположенного на медной подложке. Цвета обозначают кривизну поверхности, которая определяет отражающие свойства для взаимодействующих с ней электронов.

Вообще же, поверхность Ферми это поверхность постоянной энергии в k-пространстве, равной энергии Ферми в металлах или вырожденных полупроводниках. Поэтому знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми разделяет заполненные состояния от пустых при абсолютном нуле температур.

Поверхности Ферми для разных металлов можно увидеть на сайте: http://www.phys.ufl.edu/fermisurface/ , но нужно учитывать, что это – результаты математического моделирования. Германские ученые решили проверить точность моделей, «пощупав» поверхности Ферми с помощью пучков электронов.

В своих последних работах ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для того, чтобы направить пучок электронов на «мишень» – медную подложку. Волновые электронные пучки проходили через медную подложку, отражаясь от атомов кобальта, находящихся в ней.

«Разница между падающими и отраженными волнами была настолько сильной, что мы смогли зафиксировать ее и на этом основании восстановить сферические поверхности отражений, которые, по сути дела, привели нас к построению поверхности Ферми», – поясняет доктор Сэмир Лунис из Института Юлиха. Именно ему принадлежит идея проверить вычисления экспериментом, получив ряде математических моделей.

Рис. 2. Отражения от отдельных кобальтовых атомов, полученные в результате эксперимента

То, как искривлены отражения и как именно электронные волны отражались от атомов кобальта, позволили ученым нарисовать поверхность Ферми для данного металла – кристаллической меди с внедренными атомами кобальта. Нанотехнологии Сэмир и Стефан говорят, что их подход очень похож на работу сонара в составе гидролокатора: он так же проходит через воду, отражаясь от рельефа дна, что позволяет капитанам судов по форме отражений знать, как выглядит рельеф дна и на каких глубинах располагаются препятствия.

«Мы надеемся, что применение более сложных методов позволит точнее видеть, как влияют примеси в металлах и полупроводниках на форму поверхности Ферми», – говорит Лунис. Результаты исследований были проверены учеными на суперкомпьютере JUMP в Институте Юлиха. Благодаря предварительным теоретическим исследованиям, ученые смогли грамотно интерпретировать полученную картину от электронного СТМ-«сонара».

Дополнительную информацию можно найти в публикации исследователей: Science, 27 February 2009, Vol 323, Issue 5918, Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing, Weismann et al.

Свидиненко Юрий