Дон Эйглер¶

Дон Эйглер (англ. Don Eigler; род. 23 марта 1953, Лос-Анджелес, Калифорния, США) — американский физик-экспериментатор, пионер в области нанотехнологий. Наиболее известен тем, что в 1989 году впервые в истории осуществил манипуляцию отдельными атомами с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), выложив из 35 атомов ксенона логотип компании IBM. Этот эксперимент считается одним из ключевых событий, положивших начало практической нанотехнологии — возможности сборки структур из единичных атомов.

¶Биография

¶Ранние годы и образование

Дон Эйглер родился в 1953 году в Лос-Анджелесе. В 1975 году получил степень бакалавра по физике в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). Продолжил обучение в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD), где в 1982 году защитил докторскую диссертацию (Ph.D.) по физике. Тема его диссертации была связана с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) и исследованием свойств твердых тел при низких температурах.

¶Карьера в IBM

После защиты диссертации Эйглер поступил на работу в исследовательский центр компании IBM в Сан-Хосе (Калифорния) — IBM Almaden Research Center. В 1980-х годах IBM активно развивала направление сканирующей зондовой микроскопии, изобретенной в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером (Нобелевская премия 1986 года). Эйглер присоединился к группе, занимавшейся применением СТМ для изучения поверхностей на атомарном уровне.

¶Эксперимент 1989 года

В 1989 году, работая в лаборатории IBM, Дон Эйглер совместно с аспирантом Эрхардом Швейцером (нем. Erhard Schweizer) провел знаменитый эксперимент по перемещению атомов. Используя СТМ, работающий при сверхнизкой температуре (4 К, около −269 °C) и в условиях сверхвысокого вакуума, они научились захватывать атомы ксенона (Xe), адсорбированные на поверхности монокристалла никеля (Ni(110)), и перемещать их в нужные позиции. Игла СТМ подводилась к атому на расстояние, достаточное для возникновения силы притяжения Ван-дер-Ваальса, но не для туннелирования электронов. Затем атом «перетаскивался» по поверхности, как по льду. В результате из 35 атомов ксенона было выложено слово «IBM» высотой около 5 нанометров. Фотография этого нано-логотипа, сделанная с помощью того же СТМ, облетела мировые СМИ и стала символом наступающей эры нанотехнологий.

¶Дальнейшая деятельность

После успеха 1989 года Эйглер продолжил работу в IBM, исследуя фундаментальные свойства материи на атомном уровне. Среди его достижений:

Создание первых «квантовых загонов» (quantum corrals) — круговых структур из атомов, которые удерживают поверхностные электронные состояния, демонстрируя волновую природу электронов.
Исследование магнитных свойств отдельных атомов и молекул, включая измерение магнитной анизотропии и эффекта Кондо.
Разработка методов атомной литографии и создания наноразмерных электронных устройств.

В 2000-х годах Эйглер отошел от активной исследовательской работы, но продолжал участвовать в научных конференциях и популяризации науки. Он вышел на пенсию из IBM в 2010-х годах.

¶Научные достижения

¶Манипуляция одиночными атомами

Эксперимент 1989 года стал прорывом, так как до этого СТМ использовался исключительно для наблюдения (визуализации) поверхности. Эйглер впервые продемонстрировал, что СТМ может быть не только микроскопом, но и инструментом для активного воздействия на материю на атомарном уровне. Этот метод получил название «атомная манипуляция» (atomic manipulation). Он позволил:

Изучать силы взаимодействия между атомами и поверхностью.
Создавать искусственные структуры с заданной конфигурацией.
Проверять предсказания квантовой механики в контролируемых условиях.

¶Квантовые загоны

В 1993 году Эйглер и его коллеги создали «квантовый загон» — кольцо из 48 атомов железа, размещенных на поверхности меди (Cu(111)). Внутри этого кольца электроны проводимости, находящиеся на поверхности, оказывались запертыми, образуя стоячие волны. Изображение этих волн, полученное с помощью СТМ, стало наглядной демонстрацией корпускулярно-волнового дуализма электронов. Этот эксперимент получил широкую известность и был опубликован в журнале Nature.

¶Магнетизм на атомном уровне

Эйглер внес значительный вклад в изучение магнетизма отдельных атомов. Он показал, что магнитные свойства атома (например, его спин) могут быть измерены и даже изменены путем размещения атома на разных подложках или вблизи других атомов. Эти исследования важны для понимания фундаментальных основ магнетизма и для разработки будущих устройств спинтроники.

¶Признание и награды

За свои работы Дон Эйглер получил ряд престижных наград, включая:

Премия по физике поверхности (Surface Physics Prize) от Американского физического общества (APS) — 1990 год.
Премия имени Фейнмана в области нанотехнологий (Feynman Prize in Nanotechnology) — 1993 год (совместно с Эрхардом Швейцером).
Медаль Ньюкомба Кливленда (Newcomb Cleveland Prize) от Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) — 1993 год.
Избрание членом Американского физического общества (APS Fellow) — 1994 год.
Награда за выдающиеся достижения в области нанонауки (NanoScience Prize) — 2005 год.

¶Влияние на науку и технологии

Работы Дона Эйглера заложили основы для целого направления в науке — атомной инженерии. Они показали, что принцип «снизу вверх» (bottom-up), при котором устройства собираются из отдельных атомов, принципиально реализуем. Хотя практическое применение (например, массовое производство наноэлектроники) до сих пор ограничено техническими сложностями (необходимость сверхнизких температур и вакуума), эксперименты Эйглера стимулировали развитие:

Сканирующей зондовой микроскопии как инструмента для нанотехнологий.
Теоретических моделей квантового поведения наноматериалов.
Исследований в области квантовых вычислений и спинтроники.

Фотография логотипа IBM из атомов ксенона стала иконой научной визуализации и часто используется в учебниках, научно-популярных фильмах и музейных экспозициях, посвященных нанотехнологиям.

¶Критика и ограничения

Несмотря на огромное научное значение, работы Эйглера подвергались критике с точки зрения их практической применимости. Основные замечания:

Экстремальные условия: манипуляция атомами возможна только при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю) и в сверхвысоком вакууме, что делает технологию непригодной для массового производства.
Низкая производительность: перемещение каждого атома требует времени и точного контроля; создание даже простой структуры из нескольких десятков атомов занимает часы.
Отсутствие коммерциализации: за более чем 30 лет после эксперимента не было создано ни одного коммерческого продукта, основанного на методе атомной манипуляции Эйглера.

Тем не менее, эти ограничения не умаляют фундаментальной ценности его работы, которая продемонстрировала принципиальную возможность управления материей на атомном уровне.

¶Интересные факты

Для эксперимента 1989 года Эйглер и Швейцер использовали СТМ, собранный вручную из доступных деталей. Система охлаждалась жидким гелием.
Слово «IBM» было выбрано не случайно — это был способ продемонстрировать возможности технологии руководству компании, а также создать яркий PR-ход.
В 1990 году фотография логотипа была опубликована на обложке журнала Nature.
Позже Эйглер создал из атомов ксенона «квантовый загон» в форме круга, а затем — в форме эллипса, изучая, как форма влияет на распределение электронных волн.

¶Источники

Eigler, D. M., & Schweizer, E. K. (1990). Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope. Nature, 344(6266), 524–526.
Crommie, M. F., Lutz, C. P., & Eigler, D. M. (1993). Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science, 262(5131), 218–220.
IBM Research. (1990). Single Atom Manipulation. IBM Almaden Research Center.
Stroscio, J. A., & Eigler, D. M. (1991). Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope. Science, 254(5036), 1319–1326.
National Academy of Sciences. (2005). Don Eigler — Biographical Memoirs.