Игорь Иванов - Как расщепляют мгновение
Наносекунды
Теперь давайте перейдем дальше еще, перейдем в следующий диапазон — это наносекунды. И вот про наносекунды стоит поговорить чуть подробнее. Что такое наносекунды? Это, вообще-то, нечто, с чем мы уже в обычной жизни не сталкиваемся. Если взять какие-нибудь типичные явления, которые происходят в обычной жизни, с типичными скоростями — ну, например, звук, ударные волны или просто движение тел, — то они редко превышают один километр в секунду. Но один километр в секунду, если пересчитать его на наносекунды, на 10–9 секунды, составляет буквально считанные микроны. Даже если взять скорость света и умножить ее на одну наносекунду, тоже получится дистанция не такая уж большая, всего 30 см. И это всё приводит нас к очень важному выводу: что когда мы изучаем наносекундный диапазон и ниже, мы уже не изучаем тела — мы изучаем вещество. Нам совершенно уже не важно, из какого тела произошло это вещество. Поэтому мы переходим именно к изучению материи, а не тел.
Но как это всё можно изучать? В принципе, конечно, есть еще видеокамеры, которые немножко дотягивают и в наносекундный диапазон. Насколько я знаю, сейчас рекорд — это 6 миллионов кадров в секунду в оптическом диапазоне, то есть один кадр за каждые 160 наносекунд. Кое-что, конечно, можно увидеть здесь, но если у вас есть событие, которое протекает, скажем, 10 наносекунд, то, конечно, никакую динамику его вы с помощью видеокамеры не увидите. Поэтому так или иначе приходится от визуального наблюдения переходить к каким-то, может быть, более сложным, но и более прозорливым методам исследования, которые становятся всё более косвенными, когда мы уходим во всё более и более мелкие диапазоны времен.
В принципе, таких методов достаточно много. И моя лекция, собственно, им и посвящена. Но прежде чем рассказывать о них, я решил, что будет полезно здесь проиллюстрировать немножко иную мысль: чтобы изучать быстропротекающие процессы, иногда вовсе не требуется успевать следить за ними. Иногда достаточно как-то хитро поставить эксперимент и посмотреть на его результаты — с медленным детектором, с медленной техникой. Но потом, глядя на эти результаты, уже можно восстановить динамику события, которое протекало на наносекундном масштабе. И вот я нашел одну из работ, которая была выполнена не так давно, которая прекрасно иллюстрирует эту мысль.
Эта работа относится к разделу физики под названием «физика поверхности». Физика поверхности изучает, грубо говоря, то, что происходит на поверхности твердого тела — например, кристалла. На самом деле, там происходит много интересного, там есть термодинамические, электрические, магнитные явления, механические явления. И они все протекают, как правило, совсем иначе, чем в толще. Поэтому в этой области физики конденсированных сред есть свои загадки, свои проблемы и свои методы исследования.
Один из конкретных вопросов, который очень важен, конечно, для этой области, — вопрос о том, как живет атомарно гладкая поверхность кристалла при конечной температуре, то есть при обычной комнатной температуре. Что значит «атомарная гладкость»? Это значит, что его вырастили атомарно гладко и дальше отпустили в свободное плавание. Он же не будет непрерывно вот так стоять, там есть тепловые флуктуации, и иногда эти флуктуации заставляют какой-нибудь атом выпрыгнуть и начать гулять по поверхности. А на месте этого атома тогда появляется поверхностная дырка — называется она «вакансия», — которая тоже, оказывается, обладает подвижностью: она начинает гулять туда-сюда. Как вакансия гуляет, это тоже понятно. Просто соседние атомы перескакивают в нее, и в результате получается, что вакансия как бы перемещается. Так вот. Эти вакансии... Это значит, что атомарно гладкую поверхность можно представлять себе как разреженный газ двух типов частиц: поверхностные атомы, которые прыгают поверху, и вакансии, которые тоже вот как-то так диффундируют. У этого газа есть своя концентрация, есть свой типичный коэффициент диффузии, свои типичные времена перескоков, и это всё надо изучать, поскольку это действительно то, как живет поверхность.
Итак, возникает вопрос: как изучить диффузию поверхностных вакансий? Первое желание, конечно, просто взять и посмотреть с помощью какого-нибудь метода с высоким разрешением. Например, есть такой метод — сканирующая туннельная микроскопия, — с помощью которого можно видеть отдельные атомы. Но, к сожалению, этот метод очень медленный. Для того чтобы получить снимок даже небольшого участка поверхности, требуется время порядка секунды. В то же время теоретические оценки говорят о том, что все эти вакансии атома перемещаются за времена порядка наносекунд. С помощью этого метода ничего не получишь. С другой стороны, конечно, есть методы и быстрые, которые я потом еще покажу, но у них, как правило, есть очень плохое пространственное разрешение: они отдельный атом просто не видят. В результате возникает дилемма: как на эти вакансии взглянуть, чтобы их увидеть. Требуется некоторая экспериментальная хитрость.
И такую экспериментальную хитрость реализовали несколько лет назад ученые. Они сделали такую вещь: они решили на поверхность выращенного кристалла посадить примесные атомы, то есть атомы какого-то другого сорта. Эти атомы хорошо видны в сканирующий туннельный микроскоп, просто они отличаются по своим свойствам от атомов подложки. Эти атомы, когда их только посадили, встраиваются в верхний приповерхностный слой и, как правило, там сидят неподвижно. Сидят, сидят, сидят... Можно делать снимок за снимком — через каждую, скажем, секунду — какого-нибудь участка, и будет видно, что атомы там сидят неподвижно. Но в тот момент, когда какая-нибудь вакансия прибегает (она же бегает очень быстро), она прибегает и взаимодействует с этими примесными атомами, перемещает их на несколько шагов атомной решетки и снова убегает. В результате получается, что на следующем кадре уже эти примесные атомы будут сдвинуты. И изучая эти перескоки атомов, которые происходят на самом деле очень редко, можно выяснить и динамику, диффузию вот этих вакансий.
Вот картинка из экспериментальной работы (подробнее о работе см.: Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла). На самом деле, конечно, там было много картинок получено, а это просто типичная картинка. Вот здесь показан небольшой участок поверхности меди, на которой сидят примесные атомы индия. Температура была 320 кельвинов, то есть вполне комнатная температура. Естественно, никаких вакансий не видно, потому что этот метод очень медленный. Зато видно сидящие примесные атомы. Вот последовательность из четырех кадров. Между первыми двумя прошло 160 секунд, то есть за 160 секунд они никуда не сдвинулись. Между вторым и третьим прошло 20 секунд, и за 20 секунд мало того что они оба перепрыгнули куда-то, так еще в кадр попали какие-то другие атомы. Это вполне согласуется с тем механизмом перемещения за счет вакансий, про который я говорил. Когда экспериментаторы обработали все данные, они смогли восстановить динамические свойства вот этих вакансий. То есть оказалось, что действительно у них очень маленькая концентрация, кроме всего прочего. И оказалось, что типичное время перескока — порядка 10 наносекунд. То есть это интересная иллюстрация того, что очень медленный инструмент позволяет иногда изучить динамику намного более быстрых явлений, если правильно, хитро поставить эксперимент.
Пикосекунды
Теперь переходим от наносекунд еще глубже, к пикосекундам. Пикосекунды — это еще более краткий миг. И за пикосекунды никакие тела — и вообще даже свет — не успевают сдвинуться на какие-либо макроскопические расстояния. Здесь мы уже переходим в чисто микроскопическую — ну, или, может быть, мезоскопическую — физику.
Какие типичные процессы происходят на временах порядка пикосекунд? Это, прежде всего, разнообразные атомные, молекулярные явления. То есть явления, связанные с движением отдельных атомов или их групп. Например, синхронные колебания кристаллической решетки, то есть фононы. То есть если у вас есть, например, звук, то... — вы, наверное, знаете, что звук можно представить себе как поток таких квазичастиц, которые идут сквозь кристалл, то есть колебания решетки, которые называются фононами. Типичные времена колебания в этих фононах составляют как раз единицы, десятки, сотни пикосекунд.
Дальше. Например, поведение биологических молекул. Скажем, при свертке белков у вас происходит целый каскад разнообразных процессов. Когда у вас белок только транскрибировался... транслировался... вот... и потом начинает сворачиваться, то в процессе этой свертки у вас есть явления, которые происходят на пикосекундном масштабе, на наносекундном масштабе, вплоть до секунд. Но самые быстрые шаги переконформации этого белка происходят на пикосекундном масштабе. Это очень важно для биологии — знать, как всё это происходит.
