N-T.Ru / Нобелевские лауреаты / Премия по физике
 

РОРЕР (Rohrer), Гейнрих

род. 6 июня 1933 г.

Нобелевская премия по физике, 1986 г.
совместно с Гердом Биннигом и Эрнстом Руской

Швейцарский физик Гейнрих Рорер родился в г. Бухсе, на востоке Швейцарии, в семье коммивояжера, занимавшегося распространением промышленных товаров, Ханса Гейнриха Рорера и Катарины (урожденной Ганпенбейн) Рорер. В юности Р. превосходно успевал по физике и химии и проявлял большие способности к древним языкам латинскому и греческому, хотя современные языки давались ему с трудом. По окончании средней школы он решил было посвятить себя изучению древних языков, но потом передумал и поступил в Цюрихский федеральный технологический институт, чтобы заняться физикой и математикой. Его докторская диссертация была посвящена исследованию влияния давления и объемных эффектов на сверхпроводимость. В 1960 г. за эту работу ему была присуждена докторская степень.

После года службы в швейцарской армии Р. был зачислен для проведения постдокторских исследований в Ратджерский университет в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси), где провел два года, занимаясь исследованием явлений, связанных со сверхпроводимостью. В 1963 г. он возвращается в Цюрих и приступает к работе в научно-исследовательской лаборатории компании «Интернэшнл бизнес мэшинс». (ИБМ). За исключением 1974/75 учебного г., который Р. провел, будучи приглашенным ученым-исследователем, в Калифорнийском университете в г. Санта-Барбара, все остальное время он остается в лаборатории ИБМ.

Во время работы в ИБМ научные интересы Рорера переместились от сверхпроводимости в другие области физики твердого тела. Особенно увлекли его проблемы, связанные со свойствами поверхностей материалов, где имеют место химические и другого рода взаимодействия между веществами. Существовали методы, позволявшие исследовать расположение атомов в веществе, но было относительно мало подходов к пониманию весьма различного поведения атомов на его поверхности. При попытках исследовать поверхность возникали трудности, долгое время препятствовавшие продвижению вперед. Эти трудности были столь велики, что однажды Вольфганг Паули воскликнул «Поверхность, несомненно, была изобретением дьявола!»

В 1978 г. к Р., стремившемуся понять процессы, происходящие на поверхности, присоединился только что закончивший аспирантуру Франкфуртского университета Герд Бинниг. Вскоре двум ученым удалось предложить новый подход к исследованию поверхностей на основе квантово-механического эффекта, известного под названием туннелирования. Эффект туннелирования является прямым следствием принципа неопределенности Гейзенберга (названного так в честь немецкого физика Вернера Гейзенберга), который гласит, что положение и скорость субатомной частицы не могут быть одновременно известны. Вследствие этого такая частица, как, например, электрон, ведет себя не как частица, а как расплывчатое «облако» материи. Такой облакообразный характер субатомных частиц позволяет им «туннелировать», или проникать, сквозь две поверхности, даже если те не соприкасаются Явление туннелирования было экспериментально подтверждено Айваром Джайевером в 1960 г.

К моменту, когда Р. и Бинниг приступили к своей работе, эффект туннелирования был хорошо известен. Некоторые физики даже использовали этот эффект для получения множества данных о границах, разделяющих отдельные слои в «сандвичах» из материалов Р. и Бинниг избрали иной принцип, заставляя электроны туннелировать через вакуум. Наивысшим достижением в развитии предложенного ими подхода стало изобретение нового прибора, получившего название сканирующего туннелирующего микроскопа. Основная идея этого прибора состоит в том, чтобы сканировать поверхность твердого тела в вакууме с помощью кончика острой иглы. Если между образцом и кончиком иглы приложено напряжение и расстояние достаточно мало, то электроны туннелируют с острия иглы на образец. Поток электронов измеряется как ток туннелирования. Сила тока туннелирования зависит от расстояния между образцом и острием иглы и выражается экспоненциальной функцией расстояния. Водя иглой по образцу и дозируя ток, исследователи получают возможность «нанести на карту» расположение микроскопических (атомных размеров) холмов и долин на поверхности образца.

Несмотря на огромные технические трудности, Р. и Бинниг были настроены оптимистически. Как заметил впоследствии Р., «мы были совершенно уверены в успехе. С самого начала мы знали, что это будет важным продвижением вперед Удивительно лишь то, что нам удалось так быстро достичь желаемого». Первое успешное испытание сканирующего микроскопа Р. и Бинниг провели весной 1981 г. При участии двух других сотрудников ИБМ Кристофера Гербера и Эдмунда Вейбеля им удалось достичь разрешения «шероховатостей» на поверхности кальциево-иридиево-оловянных кристаллов (CaIrSn4) высотой всего лишь в 1 атом. По иронии судьбы, когда они впервые направили статью с сообщением о полученных результатах в журнал, рецензент отверг ее, сочтя «недостаточно интересной».

Самым большим препятствием на пути группы из ИБМ была необходимость исключить все источники колебательных шумов. Сильная зависимость тока туннелирования от расстояния между поверхностью образца и сканирующим острием означает, что положение острия должно контролироваться с точностью до доли диаметра атома. Если не принять достаточных мер предосторожности, то уличные шумы и даже шаги прохожих могут полностью нарушить такую деликатную операцию, как работа сканирующего микроскопа. Первоначально Р. и Бинниг намеревались решить проблему шумов, поместив микроскоп на тяжелом каменном постаменте, который они изолировали от внешних возмущений в здании лаборатории специальными амортизаторами из сплющенных шин. Сам микроскоп был подвешен над чашей из сверхпроводящего свинца с постоянными магнитами. Для перемещения острия с наибольшей точностью экспериментаторы использовали пьезоэлектрические материалы, которые сокращаются или расширяются под действием приложенного напряжения.

В дальнейшем микроскоп был значительно усовершенствован по сравнению со столь примитивными первыми вариантами. Сканирующий туннелирующий микроскоп (если не считать вакуумную камеру) умещается на ладони и позволяет разрешать по вертикали детали размером в 0,1 ангстрема (1010 м), или, иначе говоря, одну десятую диаметра атома водорода. Разрешающая способность сканирующего острия шириной всего в несколько атомов позволяет разрешать детали горизонтальной плоскости размером не более 2 ангстремов. В настоящее время удалось изготовить острия шириной всего лишь в 1 атом. У 1986 г. в лабораториях мира находилось по крайней мере 40 сканирующих туннелирующих микроскопов, и две компании приступили к выпуску коммерческих вариантов этих приборов. Сканирующий туннелирующий микроскоп, помимо вакуума, работает и в других средах, в том числе в воздухе, воде и криогенных жидкостях. Он применяется для исследования не только неорганических, но и органических веществ, в том числе вирусов и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

В 1986 г. Р. и Бинниг были удостоены (половины) Нобелевской премии по физике «за создание сканирующего туннелирующего микроскопа». Другая половина премии была присуждена Эрнсту Руске за его вклад в создание электронного микроскопа. На церемонии презентации лауреатов представитель Шведской королевской академии наук сказал:

«Сканирующий туннелирующий микроскоп представляет собой нечто совершенно новое, и мы до сих пор были свидетелями лишь первых его применений. Однако и сейчас совершенно ясно, что перед исследователями строения материи открываются совершенно неведомые области. Великое достижение лауреатов состоит в том, что, взяв за отправную точку свои более ранние работы и идеи, они сумели преодолеть огромные экспериментальные трудности, возникшие при сооружении прибора требуемой точности и стабильности».

В 1961 г. Р. вступил в брак с Розмари Эггар. У супругов две дочери. На просьбу указать свою характерную черту Р., пользующийся репутацией мягкого и скромного человека, ответил: «Те, кто меня знает, понимают меня. Для тех, кто меня не знает, говорить что-либо бесполезно».

Кроме Нобелевской премии, Р. и Бинниг были удостоены и других наград за свою работу. В 1984 г. они получили премию Хьюлетта – Пиккарда Европейского физического общества и Международную премию по физике короля Фейсала, присуждаемую правительством Саудовской Аравии.

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.

Дата публикации:

15 августа 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Нобелевские лауреаты, 1998