НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1986 г. / ФИЗИКА / ГЕРД БИНИГ

Герд Биниг (Gerd Binnig)

20 юли 1947 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Ернст Руска и Хайнрих Рорер)

(За конструирането на сканиращия тунелен микроскоп.)

Германският физик Герд Карл Биниг е роден във Франкфурт на Майн в семейството на Карл Франц Биниг, заводски инженер, и Рут (родена Брак) Биниг, чертожничка. След като завършва средното си образование в училището „Рудолф Кох“, Биниг получава през 1978 г. докторска степен по физика за работата си върху свръхпроводимостта във Франкфуртския университет.

Веднага след получаването на научната степен Биниг става научен сътрудник в изследователската лаборатория на корпорацията "International Business Machines" (IBM) в Цюрих, Швейцария. Тук той започва да си сътрудничи с Хайнрих Рорер при изследванията на повърхността на материалите. Учените се обръщат към този проблем, привлечени от факта, че преди това пълен анализ на повърхността на материалите по същество не било възможно да се получи. Трудностите се крият във факта, че разположението на атомите на повърхността на твърдото тяло се различава значително от разположението им вътре в него, така че известните методи за изследване са безполезни, когато става въпрос за повърхността. Повърхността обаче е от голям интерес и заради това, там се извършват повечето взаимодействия между телата. За да изследват повърхността на материалите, Биниг и Рорер решават да използват един от вариантите на квантовия механичен ефект, известен като тунелен. Този ефект, за първи път експериментално потвърден през 1960 г., е един от начините, по които се проявява така нареченият принцип на неопределеността на Хайзенберг. Според този принцип, наречен на немския физик Вернер Хайзенберг, е невъзможно едновременното измерване на положението и скоростта на дадена елементарна частица. В резултат от това положението на такава частица, какъвто е електронът например, се "размазва" в пространството: частицата се държи като размит облак от материя. Такъв материален облак може да "се тунелира", или да се дифундира, между две повърхности, дори и те да не се докосват, подобно на водата, която може да проникне през почвата от една локва в друга.

Тунелният ефект е добре известен по времето, когато Биниг и Рорер започват да работят заедно и дори се използва - макар и понякога доста примитивно - при изследването на природата на повърхностните взаимодействия в "сандвичи" от материали. Всичко, което остава да направят Биниг и Рорер, е да позволят на електроните да се тунелират през вакуум и тази идея се оказва неочаквано плодотворна. Техният подход довежда в крайна сметка до създаването на нов инструмент, наречен сканиращ тунелен микроскоп. Основният принцип на този инструмент включва сканиране на повърхността на твърдо тяло във вакуум с тънък връх на игла. Между върха и образеца се прилага напрежение и разстоянието между тях се поддържа толкова малко, че електроните могат да се тунелират през него. Полученият поток от електрони се нарича тунелен ток. Величината на тунелния ток зависи експоненциално от разстоянието между образеца и върха на иглата. Следователно, чрез преместване на иглата над пробата и измерването на тока, човек може да картографира повърхността в атомен мащаб.

Биниг и Рорер тестват успешно тунелния микроскоп за първи път през пролетта на 1981 г. Заедно с други двама служители на IBM, Кристофер Гербер и Едмунд Вайбел, те успяват да различат особинжстш само на един атом от повърхността на калциево-иридиево-оловни кристали. Подобен инструмент е построен по-рано и независимо от американския физик Ръсел Йънг в Националното бюро по стандартите на САЩ, който използва малко по-различен принцип, осигуряващ много по-ниска разрешителна способност.

При разработването на сканиращия тунелен микроскоп екипът на IBM се натъква на значителни трудности: на първо място трябва да бъдат елиминирани всички източници на вибрационен шум. Вертикалното положение на сканиращия накрайник трябва да се контролира с точност до част от диаметъра на атома, защото тунелният ток зависи съществено от разстоянието между накрайника и тествания образец. Уличният шум и дори стъпки могат да причинят разклащане на деликатния инструмент. Отначало Биниг и Рорер решават да се справят със задачата, като окачват микроскопа с помощта на постоянни магнити над чаша от свръхпроводящо олово, поставена върху тежка каменна маса. Учените изолират масата от лабораторното здание с помощта на надуваеми гуми. За преместване на върха на иглата с висока точност са използвани пиезоелектрични материали, които се свиват или разширяват, когато към тях се приложи съответно напрежение. В резултат от по-нататъшни подобрения сканиращият тунелен микроскоп може вече да разрешава по вертикала размери до 0,1 ангстрьома (1 стомилиардна от метъра или около една десета от диаметъра на водороден атом). Хоризонтална разделителна способност от 2 ангстрьома е постигната с помощта на сканиращи накрайници с ширина само няколко атома, а в момента се разработват накрайници с ширина 1 атом. След като в конструкцията на сканиращия тунелен микроскоп са направени подобрения, той става обичаен инструмент за много изследователски лаборатории. Освен във вакуум инструментът се оказва ефективен в много други среди, включително въздух, вода и криогенни течности. Той се използва за изследване на различни образци, отличаващи се от неорганичните вещества, по-специално на вируси.

През 1969 г. Бениг се жени за Лора Ваглер, психоложка; семейството има дъщеря и син.

Освен от своите научни изследвания, Бениг се интересува от ски, футбол, тенис, голф и ветроходство. Талантлив музикант, той композира музика, свири на цигулка и китара и пее. От 1986 г. е член на научния съвет на IBM, иначе казано - заема един от най-високите научни постове в корпорацията.

Освен Нобеловата награда Бениг и Рорер получават за работата си и други награди. През 1984 г. те си поделят наградата Хюлет Пакард на Европейското физично дружество и Международната награда за наука на крал Фейсал и правителството на Саудитска Арабия за усилията им по разработването на сканиращия тунелен микроскоп. Бениг е удостоен и с наградата за физика на Германското физично дружество (1982 г.).

Превод от руски: Павел Б. Николов