Физикам Университета Токио удалось измерить электрическую проводимость в окрестностях одного атома свинца. Авторы впервые обнаружили, что ее характер может значительно меняться в зависимости от высоты измерительного зонда. Краткий ее обзор опубликован в журнале Physics, а препринт самой статьи, вышедшей в журнале Physical Review Letters, доступен на сайте arXiv.org.

Кристаллическая решетка свинца. Изображение: Wikimedia Commons

Метод сканирующей туннельной микроскопии заключается в сканировании поверхности образца с помощью очень острой иглы. Между иглой и поверхностью экспериментаторы прикладывают напряжение и измеряют ток, наблюдающийся вследствие туннелирования электронов с образца на иглу. С помощью этого метода можно различить отдельные атомы на поверхности образца, а также совершать различные манипуляции ими (отрыв, перемещение), однако для изучения электропроводности на субатомном уровне необходимо чрезвычайно устойчивое оборудование, не допускающее даже малейших колебаний иглы. В противном случае, поверхность очень легко может быть нарушена, что приведет к искажению результатов измерения.

Авторы работы смогли создать такие условия для сканирования поверхности монокристалла свинца свинцовым же зондом. Атомы свинца формируют на атомном масштабе выпуклый периодический рисунок, который можно сравнить с пчелиными сотами. Когда зонд приближается к образцу очень близко, то атом, находящийся на самом его кончике, может оказаться либо напротив вершины поверхностного атома, либо в углублении, образованном тремя атомами. Ученые обнаружили, что в зависимости от высоты зонда над поверхностью значение проводимости в этих ситуациях может сильно меняться.

Карты проводимости поверхности свинца, полученные при разных высотах зонда (b, c). Howon Kim and Yukio Hasegawa, arXiv.org, 2015

Когда зонд скользил над поверхностью на относительной высоте Δz = 100 пикометров (1 ангстрем), проводимость увеличивалась над «вершинами» и падала в «углублениях» и экспоненциально зависела от расстояния между зондом и ближайшим атомом. Это соответствует току, вызванному туннелированием электронов. Когда исследователи опустили зонд глубже, вплоть до значений Δz от 0 до –40 пикометров, зависимость приобрела более крутой характер, связанный с тем, что игла начала касаться поверхности. Но дальнейшее снижение высоты до –50 пикометров сильно изменило сам характер зависимости: проводимость над «вершинами» упала по сравнению с проводимостью в «углублениях».

Взаимное расположение поверхностных атомов и головки зонда. Howon Kim and Yukio Hasegawa, arXiv.org, 2015

Ученые связывают это изменение с тем, что при небольшой высоте иглы над образцом в «углублениях» образуются контакты одновременно с тремя атомами, в отличие от «вершин». По словам авторов, их работа доказывает, что в измерениях проводимости с помощью сканирующей туннельной микроскопии важным является даже взаимное расположение атомов.