Mikroskop polowy składa się z metalicznej próbki w formie ostrej końcówki i fluorescencyjnego ekranu przewodzącego, zamkniętych w ultrawysokiej próżni. Próbka jest utrzymywana w dużym potencjale ujemnym w stosunku do fluoroscencyjnego ekranu. Skutkiem jest pole elektryczne przy czubku próbki o wartości 1010 V/m, co wystarcza do wywołania emisji elektronów.

Mechanika kwantowa mówi, że elektron nie występuje jako pojedynczy punkt, ale rozprzestrzenia się wokół jądra atomu, w chmurze znanej orbitalem elektronowym. Jasno niebieskie kule i podzielone chmury, widoczne na zdjęciach, pokazują dwa ułożenia elektronów na swoich orbitalach w atomie węgla. Otrzymane obrazy są takie same jak rysunki w wielu podręcznikach.

Zespół z Charkowa użył arkusza grafenu, grubości 1 atomu węgla i długości 10 atomów, by stworzyć łańcuch atomów węgla, który następnie oziębił, umieszczając w próżni o temperaturze 4,2 K. Przepuścił prąd o napięciu 425 V, co sprawiło, że końcowy atom emitował elektrony na ekran, tworząc obraz elektronowej chmury wokół jądra.

"Otrzymaliśmy faktyczny obraz pojedynczych atomów" - powiedział Igor Mik­hail­ovskij.

Obraz wyglądał tak dobrze jak w podręczniku, choć pojawiły się tylko najbardziej zewnętrzne orbitale. "Zmieniając intensywność prądu, zespół mógł przełączyć energię ostatniego, najbardziej zewnętrznego elektronu atomu z niższego poziomu na poziom wyższy. Uczeni obserwowali również elektrony przechodzące spontanicznie z jednego stanu w drugi, czego przyczyny pozostają nieznane" - mówi Mikhailovskij.

Już wcześniej obserwowano pojedyncze atomy, używając elektronowych mikroskopów transmisyjnych, które wystrzeliwały elektrony przez obiekt i mierzyły jak ich trasa się odginała lub skaningowych mikroskopów tunelowych, które "czują" kształt próbki końcówką mikroskopową. Zdjęcia robione z użyciem mikroskopu sił atomowych nie uzyskiwały takiej rozdzielczości subatomowej. A skaningowy mikroskop tunelowy pozwalał mapować strukturę elektronów w próbce wielu atomów.

Mikroskopia emisji pola ściąga elektrony przez jeden rodzaj obiektu, który jest obserwowany. "W związku z tym - jak mówi Alex Zettl z University of California, Berkeley - jest mniejsza szansa fałszywego przedstawienia i nadinterpretacji sygnału. To jak słyszenie wypowiedzianego wyrazu bezpośrednio z oryginalnego źródła a nie od tłumacza".

"Zawsze dobrze jest mieć uzupełniające metody badania - mówi profesor Goldhaber-Gordon ze Stanford University in California. - Czasami coś zastanawiającego w jednym obrazie stanie się jasne w drugim. To odkrycie jest szczególne i godne uwagi".

Poza potwierdzeniem rysunków zawartych w podręcznikach, technika naukowców z Ukrainy może wyjaśnić właściwości łańcuchów atomów węgla, które ciągle nie są dobrze poznane. MN

PAP - Nauka w Polsce

kap