Tunelování

Elektron, stejně jako jiné mikroobjekty, dokáže za jistých podmínek projít překážkou (bariérou), kterou by podle běžných představ klasické fyziky projít neměl. Bariérou rozumíme místo v prostoru, jehož potenciální energie je větší než kinetická energie elektronu. Příkladem tohoto jevu je např. rozpad radioaktivních látek. Tento jev se nazývá tunelování a je zobrazen na následujícím obrázku.

.
Potenciálová bariéra.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Elektron o energii E se pohybuje ve směru osy x. Působí na něj takové síly, že jeho potenciální energie je všude kromě oblasti 0 až L nulová. Oblasti od 0 do L se říká potenciálová bariéra. Podle klasické fyziky by se elektron měl od bariéry odrazit, protože jeho energie je menší, než potenciální energie bariéry. Podle kvantové fyziky je elektron de Broglieho vlna, a proto existuje jistá nenulová pravděpodobnost, že vlna bariérou projde, prosákne a octne se na druhé straně bariéry. Můžeme tedy říci, že existuje větší pravděpodobnost, že elektron je uvnitř vzorku a menší pravděpodobnost, že se nachází vně. Experimentální ověření tunelového jevu provedl v padesátých letech minulého století Ivar Giaever z General Electric.

Tunelování má řadu praktických aplikací. Příkladem je tunelová dioda, ve které se výška bariéry a tím i množství prošlých elektronů mění vypnutím a zapnutím elektrického proudu. Změna proudu probíhá velmi rychle, řádově ps. Za aplikaci tunelování byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 1973 Leo Esakovi (tunelování v polovodičích), Ivaru Giaeverovi (tunelování v supravodičích) a Brianu Josephsonovi (objev Josephsonova jevu – kvantový přepínač); v roce 1986 Gerdu Binningovi a Heinrichu Rohrerovi (rastrovací mikroskop).

V roce 1981 byl ve výzkumné laboratoři ﬁrmy IBM v Curychu zhotoven nový druh mikroskopu, který umožňuje zobrazit jednotlivé atomy ležící na povrchu látky. Princip rastrovacího tunelového mikroskopu – někdy také STM (z angl. scanning tunneling microscope) – je založen na principu tunelování a dovoluje vytvářet podrobné obrazy povrchů těles řádově ve velikosti atomu (rozlišení mikroskopu je řádově 10^–10 m).

Povrch zlata pořízení rastrovacím tunelovým mikroskopem.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Rastrovací tunelový mikroskop se skládá z wolframového ostrého hrotu (někdy je na něm umístěn jen jediný atom), který se nachází ve velmi malé stálé vzdálenosti od povrchu studovaného předmětu. Mezi hrotem a povrchem předmětu se udržuje stálé velmi malé napětí asi 10 mV. Protože je hrot umístěn na křemenných tyčích, můžeme sledovat vlastnosti nejen ve směrech os x a y, ale díky piezoelektrickému jevu (díky měnícímu se napětí se stlačuje křemenná tyč ve směru osy z) i ve směru osy z.

Vzdálenost mezi hrotem a povrchem materiálu představuje potenciálovou bariéru. Jehla je umístěna od povrchu vzorku ve vzdálenosti menší než 1 nm. Tunelový jev způsobuje, že některé elektrony pronikají povrchem hrotu jehly a povrchem zkoumaného vzorku a vytvářejí v úzké mezeře mezi jehlou a vzorkem elektronový oblak. Vložíme–li mezi sledovaný vzorek a jehlu elektrické napětí, protéká v mezeře tunelový proud, který klesá exponenciálně se vzdáleností jehly od vzorku. Podle režimu měření může být měřený signál dvojího druhu. U režimu s konstantní výškou se udržuje nastavená hodnota výšky hrotu a měří se velikost tunelového proudu. Tento režim umožňuje rychlé snímání obrazu, protože není nutné pohybovat vzorkem, ale je méně přesný, neboť při velkých vzdálenostech hrotu od povrchu se proud dostává pod dobře měřitelnou úroveň. V režimu s konstantním proudem se stálá úroveň proudu udržuje pomocí zpětné vazby. Měronosnou veličinou je napětí přikládané k pohybovým prvkům z piezoelektrické keramiky. Tento režim je sice pomalejší, ale umožňuje sledovat větší změny proﬁlu povrchu.

Princip rastrovacího tunelového mikroskopu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Mikroskop slouží nejen k zobrazování, ale i přesouvání jednotlivých atomů z místa na místo v různých prostředích (ve vzduchu, ve speciální atmosféře, vakuu, v kapalinách) a za různých teplot (stovky stupňů Celsia chladu i tepla). Pomocí elektrického napětí jsou jednotlivé atomy hrotem vytrhávány z chemické vazby a přeneseny.