НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1986 г. / ФИЗИКА / ХАЙНРИХ РОРЕР

Хайнрих Рорер (Heinrich Rohrer)

6 юни 1933 г. - 16 май 2013 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Ернст Руска и Герд Биниг)

(За конструирането на сканиращия тунелен микроскоп.)

Швейцарският физик Хайнрих Рорер е роден в Букс, Източна Швейцария, и е син на Ханс Хайнрих Рорер, пътуващ търговец, който разнася промишлени стоки, и Катарина (по баща Ганпенбайн) Рорер. В младостта си Рорер се отличава с превъзходни успехи по физика и химия и показва видими способности по древни езици, латински и гръцки, въпреки че съвременните езици му се удават трудно. След като завършва гимназия, той решава да се посвети на изучаването на древните езици, но след това променя решението си и постъпва във Федералния технологичен институт в Цюрих, за да учи физика и математика. Докторската му дисертация е посветена на изследването на влиянието на налягането и на обемните ефекти върху свръхпроводимостта. През 1960 г. получава докторска степен за тази своя изследователска разработка.

След една година служба в швейцарската армия Рорер е зачислен за провеждане на следдокторантски изследвания в университета „Рътгърс“ в Ню Брънзуик ( щат Ню Джърси), където прекарва две години, проучвайки явления, свързани със свръхпроводимостта. През 1963 г. се връща в Цюрих и започва работа в изследователската лаборатория на „International Business Machines“ (IBM). С изключение на академичната 1974/75 г., която прекарва като гостуващ учен изследовател в Калифорнийския университет в град Санта Барбара, през останалото време Рорер работи в лабораторията на IBM.

По време на работата в IBM изследователските интереси на Рорер се изместват от свръхпроводимостта към други области на физиката на твърдото тяло. Той е особено увлечен от проблемите, свързани със свойствата на повърхността на материалите, където се извършват химичните и другите видове взаимодействия между веществата. Има методи за изследване на подреждането на атомите във веществото, но съществуват относително малко подходи за разбиране на много различното поведение на атомите на неговата повърхност. При опит за изследване на повърхността възникват трудности, които дълго време възпрепятстват напредъка. Тези трудности са толкова големи, че веднъж Волфганг Паули възкликва: "Повърхността е несъмнено изобретение на дявола!"

През 1978 г. към Рорер, който се стреми да разбере процесите, протичащи на повърхността, се присъединява току-що завършилия следдипломна квалификация във Франкфуртския университет Герд Биниг. Скоро двамата учени успяват да предложат нов подход за изследване на повърхностите, основан на квантовия механичен ефект, известен като тунелиране. Тунелирането (или тунелният ефект) е пряка последица от принципа за неопределеността на Хайзенберг (наречен на немския физик Вернер Хайзенберг), който гласи, че положението и скоростта на една субатомна частица не могат да бъдат известни по едно и също време. В резултат от това такава частица, каквато е например електронът, не се държи като частица, а като размит "облак" от материя. Тази облакообразна природа на субатомните частици им позволява да се „тунелират“, иначе казано - да проникнат през две повърхности, дори и повърхностите да не се докосват. Феноменът „тунелиране“ е потвърден експериментално през 1960 г. от Ивар Евер.

По времето, когато Рорер и Биниг започват своята работа, ефектът „тунелиране“ е добре известен. Някои физици дори използват този ефект, за да получат данни за границите, разделящи отделните слоеве в „сандвичи“ от материали. Рорер и Биниг избират различен принцип, заставяйки електроните да се тунелират през вакуум. Най-високото постижение в развитието на предложения от тях подход е изобретяването на ново устройство, наречено сканиращ тунелен микроскоп. Основната идея на това устройство е да сканира повърхността на твърдо тяло във вакуум с помощта на върха на остра игла. Ако се приложи напрежение между образеца и върха на иглата и разстоянието е достатъчно малко, тогава електроните се тунелират от върха на иглата към образеца. Електронният поток се измерва във вид на тунелен ток. Силата на тунелния ток зависи от разстоянието между образеца и върха на иглата и се изразява като експоненциална функция на разстоянието. Чрез насочване на иглата върху образеца и дозиране на тока, изследователите са в състояние да "картографират" местоположението на микроскопичните (с размер на атом) хълмове и долини по повърхността на образеца.

Въпреки огромните технически трудности Рорер и Биниг са настроени оптимистично. Както по-късно Рорер отбеляза, „бяхме абсолютно сигурни в успеха. От самото начало знаехме, че това ще бъде важна стъпка напред. Удивителното е, че успяхме да постигнем това, което искахме, толкова бързо.“ Първият успешен тест на сканиращия микроскоп Рорер и Биниг провеждат през пролетта на 1981 г. С участието на други двама служители на IBM, Кристоф Гербер и Едмунд Вайбел, учените успяват да постигнат разделителна способност на "грапавостта" на повърхността на калциево-иридиево-оловни кристали (CaIrSn4) с височина само 1 атом. По ирония на съдбата, когато изпращат за първи път в едно списание статия, отчитаща тези резултати, рецензентът я отхвърля като „недостатъчно интересна“.

Най-голямото препятствие за екипа на IBM била необходимостта да се елиминират всичките източници на разклащащ шум. Силната зависимост на тунелния ток от разстоянието между повърхността на образеца и сканиращия връх означава, че позицията на върха трябва да се контролира до част от диаметъра на атома. Ако не се вземат достатъчно предпазни мерки, уличният шум и дори стъпките на минувачите могат да нарушат напълно такава деликатна операция като работата на сканиращия микроскоп. Първоначално Рорер и Биниг възнамеряват да решат проблема с шума, като поставят микроскопа върху тежък каменен цокъл, който изолират от външни смущения в лабораторната сграда със специални амортисьори, направени от надути гуми. Самият микроскоп е окачен над чаша от свръхпроводящо олово с постоянни магнити. За да преместват острието с най-голяма точност, експериментаторите използват пиезоелектрични материали, които се свиват или разширяват под въздействието на приложено напрежение.

По-нататък микроскопът е значително подобрен в сравнение с доста примитивните си първи варианти. Сканиращият тунелен микроскоп (с изключение на вакуумната камера) се побира върху една човешка длан и позволява да се разпознават вертикално детайли с размер от 0,1 ангстрьома или, с други думи - една десета от диаметъра на водородния атом. Разделителната способност на сканиращия връх, който е широк само няколко атома, прави възможно разпознаването на детайли в хоризонтална равнина, които не са по-големи от 2 ангстрьома. Понастоящем е възможно да се изработват накрайници с широчина от 1 атом. До 1986 г. в лабораториите по света има най-малко 40 сканиращи тунелни микроскопа и две компании започват да произвеждат търговски версии на инструмента. Сканиращият тунелен микроскоп, освен във вакуум, работи и в други среди, включително въздух, вода и криогенни течности. Използва се за изследване не само на неорганични, но и на органични вещества, включително вируси и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

През 1961 г. Рорер се жени за Розмари Егар. Семейството има две дъщери. Помолен да посочи своята характерна черта, Рорер, който се ползва с репутацията на кротък и скромен човек, отговаря: „Тези, които ме познават, ме разбират. За тези, които не ме познават, няма смисъл да казвам каквото и да било."

Освен с Нобелова награда, Рорер и Биниг са удостоени с други награди за своята дейност. През 1984 г. те получават наградата Хюлет Пакард на Европейското физично дружество и международната награда за физика на крал Фейсал, присъждана от правителството на Саудитска Арабия.

Превод от руски: Павел Б. Николов