БИННИГ Герд

19.02.2011 Ю.А.Белецкий

БИННИГ (Binnig), Герд

Нобелевская премия по физике, 1986 г. совместно с Гейнрихом Рорером и Эрнстом Руской

Немецкий физик Герд Карл Бинниг родился во Франкфурте-на-Майне в семье Карла Франца Биннига, заводского инженера, и Рут (в девичестве Браке) Бинниг, чертежницы. Завершив среднее образование в школе Рудольфа Коха, он получил докторскую степень по физике за работу по сверхпроводимости во Франкфуртском университете в 1978 г. Сразу же после получения степени Б. стал научным сотрудником исследовательской лаборатории в корпорации «Интернэшнл бизнес мэшинс» (ИБМ) в Цюрихе, Швейцария. Здесь он стал сотрудничать с в исследованиях поверхности материалов.

Ученые обратились к данной проблеме, привлеченные тем, что прежде полного анализа поверхности материалов получить, по существу, не удавалось. Трудности заключались в том, что расположение атомов на поверхности твердого тела существенно отличается от их расположения внутри него, так что известные методы исследования бесполезны, когда дело касается поверхности. Однако поверхность представляет большой интерес, поскольку именно здесь происходит большинство взаимодействий между телами. Для исследования поверхности материалов Б. и Рорер решили использовать один из вариантов квантово-механического эффекта, известного под названием туннельного. Этот эффект, впервые экспериментально подтвержденный в 1960 г., представляет собой один из путей, в которых проявляется так называемый принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, названному по имени немецкого физика Вернера Гейзенберга, невозможно измерить одновременно положение и скорость элементарной частицы. В результате положение такой частицы, как электрон, «размазывается» по пространству: частица ведет себя как размытое облако материи. Такое материальное облако может «туннелировать», или дифундировать, между двумя поверхностями, даже если они и не соприкасаются, во многом подобно тому, как вода может просачиваться сквозь почву из одной лужи в другую.

Туннельный эффект был хорошо известен к тому времени, когда Б. и Рорер начали совместную работу, и даже использовался – хотя порой и довольно грубо – при исследовании природы поверхностных взаимодействий в «сандвичах» из материалов. Все, что оставалось сделать Б. и Рореру, так это позволить электронам туннелировать сквозь вакуум, и это идея неожиданно оказалась плодотворной. Их подход привел в конце концов к созданию нового инструмента, названного сканирующим туннелирующим микроскопом. Основной принцип, лежащий в основе этого прибора, включает в себя сканирование поверхности твердого тела в вакууме тонким кончиком иглы. Между кончиком и образцом приложено напряжение, а расстояние между ними поддерживается настолько малым, чтобы электроны могли через него туннелировать. Появляющийся в итоге поток электронов называется туннельным током. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между образцом и кончиком иглы. Следовательно, водя иглой по образцу и измеряя ток, можно составить карту поверхности в атомном масштабе. Б. и Рорер впервые успешно опробовали туннелирующий микроскоп весной 1981 г. Вместе с двумя другими служащими компании ИБМ Кристофом Гербером и Эдмундом Вейбелем им удалось различать особенности высотой всего в один атом на поверхности кальциево-иридиево-оловянных кристаллов. Аналогичный прибор был создан раньше и независимо американским физиком Расселом Янгом в Национальном бюро стандартов США с помощью несколько отличного принципа, который обеспечивал значительно более низкую разрешающую способность. При разработке сканирующего туннелирующего микроскопа группа из ИБМ встретилась с существенными трудностями: прежде всего пришлось устранить все источники вибрационного шума. Вертикальное положение сканирующего кончика должно контролироваться с точностью до доли диаметра атома, поскольку туннельный ток существенно зависит от расстояния между кончиком и исследуемым образцом. Уличные шумы и даже шаги могли вызвать сотрясение тонкого прибора.

Сначала Б. и Рорер решили справиться с задачей, подвесив микроскоп с помощью постоянных магнитов над чашей из сверхпроводящего свинца, поставленной на тяжелый каменный стол. Сам стол они изолировали от здания лаборатории с помощью надувных резиновых шин. Чтобы передвигать кончик иглы с высокой точностью, использовались пьезоэлектрические материалы, которые сжимаются или расширяются, если к ним приложить соответствующее напряжение. В результате дальнейших усовершенствований сканирующий туннелирующий микроскоп может ныне разрешить по вертикали размеры до 0,1 ангстрема (1 стомиллиардная доля метра, или приблизительно около одной десятой диаметра атома водорода). Разрешающая способность по горизонтали в 2 ангстрема достигнута благодаря использованию сканирующих кончиков шириной всего лишь в несколько атомов, а кончики шириной в 1 атом разрабатываются в настоящее время. После того как в конструкцию сканирующего туннелирующего микроскопа были внесены усовершенствования, он стал обычным инструментом во многих исследовательских лабораториях. Кроме вакуума, этот инструмент оказывается эффективным и во многих других средах, включая воздух, воду и криогенные жидкости. Он применяется для изучения различных образцов, отличных от неорганических веществ, в частности вирусов. Б

. и Рорер разделили в 1986 г. половину Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа». Другую половину премии получил Эрнст Руска за работу над электронным микроскопом. Награждая премией Б. и Рорера, представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Очевидно, что эта техника обещает чрезвычайно много и что мы до сих пор были свидетелями лишь начала ее развития. Многие исследовательские группы в различных областях науки пользуются сейчас сканирующим туннелирующим микроскопом. Изучение поверхностей является важной частью физики, особенно необходимой в физике полупроводников и в микроэлектронике. В химии поверхностные реакции тоже играют важную роль, например в катализе. Можно, кроме того, фиксировать органические молекулы на поверхности и изучать их строение. Среди прочих приложений эту технику можно использовать для исследования молекул ДНК». Вспоминая о том, что он чувствовал, узнав о награждении, Б. отметил: «Это было прекрасно и ужасно одновременно», поскольку это было признанием большого успеха, но одновременно означало завершение «захватывающего открытия».

В 1969 г. Б. женился на Лоре Ваглер, психологе; у них дочь и сын. Кроме исследований, Б. интересуют лыжи, футбол, теннис, гольф и парусный спорт. Талантливый музыкант, он сочиняет музыку, играет на скрипке и гитаре и поет. С 1986 г. является членом ученого совета ИБМ, т.е. занимает один из высших научных постов в корпорации. Б. и Рорер получили за свою работу, кроме Нобелевской премии, и другие награды.

В 1984 г. они разделили премию Хьюлетта-Паккарда Европейского физического общества и международную научную премию короля Фейсала и правительства Саудовской Аравии за усилия по созданию сканирующего туннелирующего микроскопа. Б. также награжден Физической премией Германского физического общества (1982). Ранее опубликовано: Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия:

Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992. © The H.W. Wilson Company, 1987.

© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.