Новости науки 17.06.01. Картинка кристаллической решетки в перспективе

Во многих учебниках, так или иначе касающихся кристаллографии, можно встретить впечатляющие изображения кристаллической решетки "в перспективе", вид решетки как бы "с точки зрения" сидящего в ней атома. Разумеется, эти изображения не реальные снимки, а лишь рисунки, помогающие наглядно представить себе устройство той или иной решетки. Однако неожиданно оказалось, что подобные "фотографии" можно в самом деле получить!

Именно с таким предложением выступили авторы работы [J.C.H.Spence and C.Koch, Phys.Rev.Lett. 86, 5510 (2001)], описывая в своей статье новый дифракционный эффект, названный ими "голографией на атомных цепочках". Суть методики заключается в следующем.

Рис.1 Направления падения электронного пучка, вызывающие максимумы флуоресценции.

Берется тонкая монокристаллическая пленка исследуемого материала, содержащая всего несколько атомных слоев. На кристалл под некоторым углом к свободной поверхности падает хорошо сколлимированный когерентный пучок высокоэнергетических электронов. Электроны вызывают флуоресценцию атомов в рентгеновском диапазоне, причем интенсивность флуоресценции зависит от угла падения электронного пучка. Более конкретно, в том случае, когда электронный пучок идет вдоль какой-нибудь атомной цепочки, флуоресценция максимальна (Рис.1). Сканируя, таким образом, всевозможные направления падения пучка в некотором телесном угле, можно построить зависимость интенсивности флуоресценции от этого направления, и четкие пики интенсивности на этой "голограмме" будут отвечать углам, под которым видны те или иные атомные цепочки с точки зрения какого-либо атома.

Рис.2 Слева — теоретически вычисленная цепочечная голограмма кристалла CsCl; справа — изображение кристаллической решетки. Стелки показывают однозначное соответствие между двумя картинами.

Оказывается, что полученное по такой методике изображение будет в точности соответствовать картинке кристаллической решетки, "наблюдаемой" одним из атомов. На Рис.2 слева изображена "цепочечная голограмма", вычисленная теоретически по описанной выше методике для кристалла CsCl. Справа приведен типичный рисунок кристаллической решетки этого материала "в перспективе": светлые шарики изображают атомы цезия, темные — атомы хлора. Заметьте, что каждый атом-шарик на картинке может быть однозначно сопоставлен со светлым пятном на голограмме. Таким образом, если теперь вглядеться в голограмму повнимательней, в ней можно распознать точный вид "шариковой модели" кристаллической решетки!

Авторы работы показывают, что пространственное разрешение такой методики намного превосходит разрешение, скажем, трансмиссионной электронной микроскопии — одной из широко распространенных методик исследования атомарной структуры вещества. В методе цепочечной голографии положение атомов в пространстве можно фиксировать с точностью 0.1 ангстрема и лучше. Более того, прямо на голограмме можно отличить атомы цезия от атомов хлора: последние в несколько раз тусклее, чем атомы цезия. Это связано с тем, что атом цезия имеет примерно в три раза больше электронов, чем атом хлора.

Пока что предложенная методика реализована лишь на бумаге. Однако авторы описывают, каким образом можно усовершенствовать уже существующее экспериментальное оборудование для "фотографирования" кристаллической решетки на опыте. Не исключено, что в ближайшем будущем описанная методика прочно войдет в исследовательский арсенал экспериментальной физики.

перейти к началу страницы