《科学》：首次测定推动单个原子所需要的力

利用原子力显微镜（AFM），美国IBM公司研究人员与德国科学家一道，首次测定出了驱动单个原子在平面上运动所需要的力。他们发现，让单个钴原子在光滑的铂平面运动需要的力为210皮牛（pN），而在铜表面仅为17pN。这一基础性研究成果有望为未来设计出原子尺度的设备（比如计算机芯片和小型化存储装置）提供重要信息和依据。相关论文发表在2月22日的《科学》杂志上。

图片说明：实验示意图。棕色区域为原子力显微镜的振动尖端，黄色为钴原子，灰色为滑动材料的表面原子。螺旋线代表作用力。（图片来源：IBM）
 

早在1989年，IBM阿尔马登研究中心（Almaden Research Center）的Donald M. Eigler就用35个氙原子拼写出了“IBM”三个字母，从此，IBM的科学家们就不断地“摆弄”着原子，以期探索出用单个原子构建特定结构和电子元件的方法。道理很简单，要在纳米世界中制造特定的结构，就需要用较强的原子间相互作用让该坚固的地方坚固，而用较弱的化学键令需要移动的地方可移动。
 
最新论文高级作者、Almaden中心的物理学家Andreas J. Heinrich表示，弄清楚驱动原子的精确力量“有助我们理解什么是可能实现的，什么是不可能的。新的研究成果是我们前进的垫脚石而绝非终点。”
 
在实验中，Heinrich等人与德国雷根斯堡大学（University of Regensburg）的合作者一道，用原子力显微镜的尖端推动单个钴原子。为了精确测量力的大小和方向，该尖端与一微型音叉（tuning fork，常见于石英手表中）绑定在一起。
 
初始时，显微镜尖端与音叉每秒钟振动2万次，当尖端接触并推动钴原子之后，音叉就会像跳板一样变弯曲，振动频率也会突然发生微小减弱。通过这种变化，研究人员就能分析计算出显微镜尖端与钴原子间的相互作用力。
 
实际上，准确地说，单个原子不会滚动，而所谓的光滑表面实际上也并不光滑。因此，研究中钴原子会在一个个锯齿状小栅格中稍事停顿，看起来更像是在鸡蛋堆里推一颗鸭蛋。这种阻力（宏观上就是摩擦力）实际上来自于钴原子和滑动表面原子间化学键重组的能量需要。当然，由于不同材料表面的这种“粘性”差异，钴原子在其上滑动的容易性或者说所需要的力也是不同的。（科学网 任霄鹏/编译）
 
（《科学》（Science），Vol. 319. no. 5866, pp. 1066 - 1069，Markus Ternes, Andreas J. Heinrich）
 
 
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