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推動單個原子需要多大的力

引自科學網

圖片說明：實驗示意圖。棕色區域為原子力顯微鏡的振動尖端，黃色為鈷原子，灰色為滑動材料的表面原子。螺旋線代表作用力。（圖片來源：IBM）
 
利用原子力顯微鏡（AFM），美國IBM公司研究人員與德國科學家一道，首次測定出了驅動單個原子在平面上運動所需要的力。他們發現，讓單個鈷原子在光滑的鉑平面運動需要的力為210皮牛（pN），而在銅表面僅為17pN。這一基礎性研究成果有望為未來設計出原子尺度的設備（比如電腦晶片和小型化存儲裝置）提供重要資訊和依據。相關論文發表在2月22日的《科學》雜誌上。
 
早在1989年，IBM阿爾馬登研究中心（Almaden Research Center）的Donald M. Eigler就用35個氙原子拼寫出了“IBM”三個字母，從此，IBM的科學家們就不斷地“擺弄”著原子，以期探索出用單個原子構建特定結構和電子元件的方法。道理很簡單，要在納米世界中製造特定的結構，就需要用較強的原子間相互作用讓該堅固的地方堅固，而用較弱的化學鍵令需要移動的地方可移動。
 
最新論文高級作者、Almaden中心的物理學家Andreas J. Heinrich表示，弄清楚驅動原子的精確力量“有助我們理解什麼是可能實現的，什麼是不可能的。新的研究成果是我們前進的墊腳石而絕非終點。”
 
在實驗中，Heinrich等人與德國雷根斯堡大學（University of Regensburg）的合作者一道，用原子力顯微鏡的尖端推動單個鈷原子。為了精確測量力的大小和方向，該尖端與一微型音叉（tuning fork，常見於石英手錶中）綁定在一起。
 
初始時，顯微鏡尖端與音叉每秒鐘振動2萬次，當尖端接觸並推動鈷原子之後，音叉就會像跳板一樣變彎曲，振動頻率也會突然發生微小減弱。通過這種變化，研究人員就能分析計算出顯微鏡尖端與鈷原子間的相互作用力。
 
實際上，準確地說，單個原子不會滾動，而所謂的光滑表面實際上也並不光滑。因此，研究中鈷原子會在一個個鋸齒狀小柵格中稍事停頓，看起來更像是在雞蛋堆裏推一顆鴨蛋。這種阻力（宏觀上就是摩擦力）實際上來自於鈷原子和滑動表面原子間化學鍵重組的能量需要。當然，由於不同材料表面的這種“粘性”差異，鈷原子在其上滑動的容易性或者說所需要的力也是不同的。（科學網 任霄鵬/編譯）
 
Science原文報導
The Force Needed to Move an Atom on a Surface
Science 22 February 2008:
Vol. 319. no. 5866, pp. 1066 - 1069
DOI: 10.1126/science.1150288
Markus Ternes,1 Christopher P. Lutz,1 Cyrus F. Hirjibehedin,1* Franz J. Giessibl,2 Andreas J. Heinrich1
1 IBM Research Division, Almaden Research Center, 650 Harry Road, San Jose, CA 95120, USA.
2 Institute of Experimental and Applied Physics, University of Regensburg, D-93053 Regensburg, Germany.

* Present address: London Centre for Nanotechnology, Department of Physics and Astronomy, Department of Chemistry, University College London, London WC1H 0AH, UK.