Informacje
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Informacje > Nowinki 2000-2002 > Fizyka > Nowinka z dn. 27-10-2000  
 Jesteś tutaj
nowinka:
Bramkostrzelne elektrony
autor:
Rafał R. Suszek
z dnia:
27-10-2000





Bramkostrzelne elektrony
Piłka nożna, w której niebanalną rolę odgrywa sama piłka i jej kształt, cieszy się powszechnym zainteresowaniem męskiej części mniej lub bardziej rozwiniętych społeczeństw. Fakt ten znany jest nie od dziś. Nikogo też nie dziwi, jak łatwo jest skłonić kilkunastu (to nie ignorancja, lecz ukłon w stronę ławki rezerwowych) skocznych mężczyzn o nadzwyczaj zdrowych nogach do pogoni za piłką i wymierzania jej bezlitosnych kopnięć z precyzyjnie dobraną energią oraz częstością. Czy jednak można równie prosto wyobrazić sobie elektrony należycie zmotywowane do podjęcia nie lada trudu, jakim jest kopnięcie molekularnej piłki o masie około 100 tysięcy razy większej od masy kopiącego, bez ekscytującej perspektywy premii - ot, choćby malutkiej - lub też lukratywnego transferu?

Jeszcze w pierwszej połowie 2000 r., tj. w 15 lat po odkryciu arcyciekawych struktur, jakimi są fulereny, tego typu pytanie wydawało się - mówiąc oględnie - niezbyt szczęśliwie postawionym. Dopiero miniony miesiąc przyniósł wiadomości o przekroczeniu kolejnej granicy poznania w dziedzinie badań nanostrukturalnych: zespołowi naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley oraz Lawrence Berkeley National Laboratory, prowadzonemu przez H. Parka, udało się wprowadzić w kontrolowane drgania cząsteczki C60 zaadsorbowane na powierzchni próbki złota. Zbudowany przez nich układ stanowi najmniejszy istniejący tranzystor polowy, zaobserwowany zaś efekt elektromechaniczny może znaleźć powszechne zastosowanie w technice nadczułych pomiarów prądu elektrycznego.

Szał eksperymentalny na punkcie fulerenów (znajdujący solidne oparcie w pracach teoretycznych) trwa nieprzerwanie od momentu, kiedy po raz pierwszy udało się zaobserwować owe regularne przestrzenne struktury grafitowe, utworzone z atomów węgla połączonych w zamkniętą sieć o dokładnie 12 pięciokątach. Nie tylko cieszą one oko estety czułego na subtelny urok ich kształtów, ale też stanowią pole intensywnych badań fizycznych i chemicznych. Z badań tych wyłania się piękno zrozumiane i ujarzmione, piękno użyteczne.

Struktura fulerenu C60
Struktura fulerenu C60 (tzw. fuleren Buckminstera): 60 atomów węgla związanych w strukturę wielościenną, złożoną z pięciokątów i sześciokątów foremnych


Jedną z odmian fullerenu jest C60. To cząsteczka w kształcie piłki nożnej o średnicy 0,7 nanometra (1 nm [nanometr] = 10-9 m), z charakterystyczną trójwymiarową mozaiką złożoną z 12 pięciokątów rozdzielonych 20 sześciokątami. Zamknięcie węglowej piłki w klatce ze złota, do której wewnętrznych powierzchni przytwierdzają ją (chociaż nie na sztywno) elektrostatyczne siły van der Waalsa, prowadzi w obecności zewnętrznego pola elektrycznego do pojawienia się klasycznego efektu tranzystorowego. Różnica potencjałów elektrycznych między bazą a emiterem (ze złota) pozwala kontrolować przepływ prądu przez fullerenowy przekaźnik łączący emiter z kolektorem (także złotym).

Rozmiary cząsteczki C60 czynią z tego nanotechnologicznego cacka szczególny rodzaj tranzystora - tranzystor jednoelektronowy. Nazwę uzasadnia natura kwantowomechanicznego w swej istocie zjawiska, zbadanego przez Parka. Elektron docierający do granicznej powierzchni emitera tuneluje poprzez niezauważaną przezeń cząsteczkę węgla aż w obszar kolektora, o ile tylko jego energia ma wartość odpowiadającą pierwszemu z nieobsadzonych poziomów dyskretnego widma energetycznego cząsteczki C60 (E0). Elektrony wolniejsze nie dostępują przywileju kopnięcia fullerenowej piłeczki, bo też co za pożytek z nierozgrzanego zawodnika. Pozostaje pytanie, co dzieje się z elektronami, które energia wprost rozsadza. Otóż tym właśnie dane będzie zabłysnąć (i to dosłownie) w ataku, jeśli tylko uda im się zgromadzić dodatkową porcję energii, sięgającą pierwszego niewzbudzonego poziomu wibracyjnego cząsteczki C60 (Ewib). Mogą wówczas, dobiegłszy do niej, kopnąć śmiało, ile sił w elektronowych nóżkach, oddając przy tym nadmiarową energię molekularnej piłce. Zacznie ona wóczas odbijać się od ścianek złotej klatki po to tylko, by wkrótce rozproszyć całą energię, choćby w drodze emisji fotonu. Zmierzona częstość takich wibracji jest równa w przybliżeniu 1,2 teraherca (1 THz [teraherc] = 109 Hz), w przypadku zaś bardziej dziarskich elektronów, zdolnych do bezlitosnego odkształcenia piłki, osiąga około 10 THz.

Ponieważ średnia energia niesiona przez wpadające na piłkę elektrony zależy od napięcia przyłożonego do próbki, zyskujemy jednoznaczną metodę monitorowania tranzystora: wyższe napięcie to większa energia elektronów, ale dopiero osiągnięcie pułapu wibracyjnego stwarza nowym elektronom szansę na tunelowanie (te o energii większej od E0, lecz mniejszej od Ewib niechybnie ulegną odbiciu). A zatem pojawienie się dostatecznie szybkich elektronów pociąga za sobą skok wartości natężenia prądu płynącego przez tranzystor. Odwrócenie tego mechanizmu czyni z urządzenia Parka nader czuły przyrząd do detekcji drgań cząsteczki fullerenu, a to już można opatentować jako jakże obiecującą NEMS-ę (Nano-Electromechanic Structure, czyli Nanoelektromechaniczna struktura). Taki los spotkał np. MEMS-y (Micro-Electromechanic Structure, czyli Mikroelektromechaniczna struktura), używane w akcelerometrach, które odblokowują poduszki powietrzne w nowoczesnych samochodach.

Oczywiście, częstość oscylacji fullerenowej piłki w klatce ze złota podlega ścisłej kwantyzacji, co z kolei prowadzi do kwantyzacji prądu przepuszczanego przez urządzenie. Taka ścisła reglamentacja przepuszczanego prądu elektrycznego to wprost idealny sposób na jego dokładny pomiar. Fakt ten aż prosi się o wykorzystanie. Może (na szczęście) nie w elektrowniach, z których prąd zużyty przy czytaniu powyższej nowinki wystarczyłby na odbycie, bagatela, 1018 spotkań nano-ligi (przy założeniu, że w każdym meczu piłka odbijana jest przeciętne 3600 razy, oraz po uwzględnieniu napięcia operacyjnego tranzystora Parka - około 10 woltów). Ale za to z pewnością w urządzeniach w rodzaju ultraczułych mierników prądu elektrycznego, mogących posłużyć do ustanowienia nadzwyczaj precyzyjnego wzorca pojemności elektrycznej.

Rafał R. Suszek

[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach