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《科學(xué)》:測定推動(dòng)單個(gè)原子所需要的力

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《科學(xué)》:測定推動(dòng)單個(gè)原子所需要的力
          利用原子力顯微鏡(AFM),美國IBM公司研究人員與德國科學(xué)家一道,測定出了驅(qū)動(dòng)單個(gè)原子在平面上運(yùn)動(dòng)所需要的力。他們發(fā)現(xiàn),讓單個(gè)鈷原子在光滑的鉑平面運(yùn)動(dòng)需要的力為210皮牛(pN),而在銅表面僅為17pN。這一基礎(chǔ)性研究成果有望為未來設(shè)計(jì)出原子尺度的設(shè)備(比如計(jì)算機(jī)芯片和小型化存儲(chǔ)裝置)提供重要信息和依據(jù)。相關(guān)論文發(fā)表在2月22日的《科學(xué)》雜志上。 
    早在1989年,IBM阿爾馬登研究中心(Almaden Research Center)的Donald M. Eigler就用35個(gè)氙原子拼寫出了“IBM”三個(gè)字母,從此,IBM的科學(xué)家們就不斷地“擺弄”著原子,以期探索出用單個(gè)原子構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)和電子元件的方法。道理很簡單,要在納米世界中特定的結(jié)構(gòu),就需要用較強(qiáng)的原子間相互作用讓該堅(jiān)固的地方堅(jiān)固,而用較弱的化學(xué)鍵令需要移動(dòng)的地方可移動(dòng)。
 論文作者、Almaden中心的物理學(xué)家Andreas J. Heinrich表示,弄清楚驅(qū)動(dòng)原子的力量“有助我們理解什么是可能實(shí)現(xiàn)的,什么是不可能的。新的研究成果是我們前進(jìn)的墊腳石而絕非終點(diǎn)。” 
    在實(shí)驗(yàn)中,Heinrich等人與德國雷根斯堡大學(xué)(University of Regensburg)的合作者一道,用原子力顯微鏡的推動(dòng)單個(gè)鈷原子。為了測量力的大小和方向,該與一微型音叉(tuning fork,常見于石英手表中)綁定在一起。
    初始時(shí),顯微鏡與音叉每秒鐘振動(dòng)2萬次,當(dāng)接觸并推動(dòng)鈷原子之后,音叉就會(huì)像跳板一樣變彎曲,振動(dòng)頻率也會(huì)突然發(fā)生微小減弱。通過這種變化,研究人員就能分析計(jì)算出顯微鏡與鈷原子間的相互作用力。
  實(shí)際上,準(zhǔn)確地說,單個(gè)原子不會(huì)滾動(dòng),而所謂的光滑表面實(shí)際上也并不光滑。因此,研究中鈷原子會(huì)在一個(gè)個(gè)鋸齒狀小柵格中稍事停頓,看起來更像是在雞蛋堆里推一顆鴨蛋。這種阻力(宏觀上就是摩擦力)實(shí)際上來自于鈷原子和滑動(dòng)表面原子間化學(xué)鍵重組的能量需要。當(dāng)然,由于不同材料表面的這種“粘性”差異,鈷原子在其上滑動(dòng)的容易性或者說所需要的力也是不同的。

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