Герд Бинниг

Фотографія Герд Бинниг (photo Gerd Binnig)

Gerd Binnig

  • День народження: 20.07.1947 року
  • Вік: 69 років
  • Місце народження: Франкфурт-на-Майні, Німеччина
  • Громадянство: Німеччина

Біографія

Німецький фізик Герд Карл Бинниг народився у Франкфурті-на-Майні в родині Карла Франца Биннига, заводського інженера, і Рут (в дівоцтві Шлюбі) Бинниг, креслярки. Завершивши середню освіту в школі Рудольфа Коха, він одержав докторський ступінь з фізики за роботу по надпровідності у Франкфуртському університеті в 1978 р.

Відразу ж після одержання ступеня Б. став науковим співробітником науково-дослідної лабораторії корпорації «Інтернешнл бізнес мэшинс» (ІБМ) в Цюріху, Швейцарія. Тут він став співпрацювати з у дослідженнях поверхні матеріалів. Вчені звернулися до даної проблеми, залучені тим, що перш повного аналізу поверхні матеріалів отримати, по суті, не вдавалося. Труднощі полягали в тому, що розташування атомів на поверхні твердого тіла істотно відрізняється від їх розташування усередині нього, так що відомі методи дослідження марні, коли справа стосується поверхні. Однак поверхня представляє великий інтерес, оскільки саме тут відбувається більшість взаємодій між тілами.

Для дослідження поверхні матеріалів Б. і Рорер вирішили використати один з варіантів квантово-механічного ефекту, відомого під назвою тунельного. Цей ефект, вперше експериментально підтверджений у 1960 р., являє собою один з шляхів, в яких проявляється так званий принцип невизначеності Гейзенберга. Згідно з цим принципом, названий по імені німецького фізика Вернера Гейзенберга, неможливо виміряти одночасно положення і швидкість елементарної частинки. В результаті положення такої частки, електрон, «розмазується» по простору: частинка поводиться як розмите хмара матерії. Таке матеріальне хмара може «тунелювати», або дифундировать, між двома поверхнями, навіть якщо вони не стикаються, багато в чому подібно до того, як вода може просочуватися крізь грунт з однієї калюжі в іншу.

Тунельний ефект був добре відомий до того часу, коли Б. і Рорер почали спільну роботу, і навіть використовувався – хоча часом і досить грубо – при дослідженні природи поверхневих взаємодій в «сандвичах» з матеріалів. Все, що залишалося зробити Б. і Рореру, так це дозволити електронам тунелювати крізь вакуум, і це ідея несподівано виявилася плідною. Їх підхід призвів зрештою до створення нового інструменту, названого скануючим туннелирующим мікроскопом. Основний принцип, що лежить в основі цього приладу, що включає в себе сканування поверхні твердого тіла у вакуумі тонким кінчиком голки. Між кінчиком і зразком прикладена напруга, а відстань між ними підтримується настільки малим, щоб електрони могли через нього тунелювати. З’являється в результаті потік електронів називається тунельним струмом. Величина тунельного струму експоненціально залежить від відстані між зразком і кінчиком голки. Отже, водячи голкою за зразком і вимірюючи струм, можна скласти карту поверхні в атомному масштабі.

Б. і Рорер вперше успішно випробували туннелирующий мікроскоп навесні 1981 р. Разом з двома іншими службовцями компанії ІБМ Крістофом і Едмундом Гербером Вейбелем їм вдалося розрізняти особливості висотою всього в один атом на поверхні кальцієво-иридиево-олов’яних кристалів. Аналогічний прилад був створений раніше і незалежно американським фізиком Расселом Янгом у Національному бюро стандартів США з допомогою дещо відмінного принципу, який забезпечував значно більш низьку роздільну здатність.

При розробці скануючого туннелирующего мікроскопа група з ІБМ зустрілася з істотними труднощами: насамперед довелося усунути всі джерела вібраційного шуму. Вертикальне положення скануючого кінчика должноконтролироваться з точністю до частки діаметра атома, оскільки тунельний струм істотно залежить від відстані між кінчиком і досліджуваним зразком. Вуличні шуми і навіть кроки могли викликати струс тонкого приладу. Спочатку Б. і Рорер вирішили впоратися із завданням, підвісивши мікроскоп з допомогою постійних магнітів над чашею з надпровідного свинцю, поставленої на важкий кам’яний стіл. Сам стіл вони ізолювали від будівлі лабораторії з допомогою надувних гумових шин. Щоб пересувати кінчик голки з високою точністю, використовувалися п’єзоелектричні матеріали, які звужуються або розширюються, якщо до них прикласти відповідну напругу. В результаті подальших удосконалень скануючий туннелирующий мікроскоп може нині дозволити по вертикалі розміри до 0,1 ангстрема (1 стомиллиардная частка метра, або приблизно близько однієї десятої діаметра атома водню). Роздільна здатність по горизонталі в 2 ангстрема досягнута завдяки використанню скануючих кінчиків шириною всього лише в декілька атомів, а кінчики шириною в 1 атом розробляються в даний час. Після того як в конструкції скануючого туннелирующего мікроскопа були внесені удосконалення, він став звичайним інструментом у багатьох дослідницьких лабораторіях. Крім вакууму, цей інструмент виявляється ефективним і в багатьох інших середовищах, включаючи повітря, воду та кріогенні рідини. Він застосовується для вивчення різних зразків, відмінних від неорганічних речовин, зокрема вірусів.

Б. і Рорер розділили в 1986 р. половину Нобелівської премії з фізики «за винахід скануючого туннелирующего мікроскопа». Другу половину премії отримав Ернст Руска заработу над електронним мікроскопом. Нагороджуючи премією Б. і Рорера, представник Шведської королівської академії наук заявив: «Очевидно, що ця техніка обіцяє надзвичайно багато і що ми досі були свідками лише початку її розвитку. Багато дослідницькі групи в різних областях науки користуються зараз скануючим туннелирующим мікроскопом. Вивчення поверхонь є важливою частиною фізики, особливо необхідної в галузі фізики напівпровідників і в мікроелектроніці. У хімії поверхневі реакції теж відіграють важливу роль, наприклад в каталізі. Можна, крім того, фіксувати органічні молекули на поверхні і вивчати їх будова. Серед інших додатків цю техніку можна використовувати для дослідження молекул ДНК». Згадуючи про те, що він відчував, дізнавшись про нагородження, Б. зазначив: «Це було чудово і жахливо одночасно», оскільки це було визнанням великого успіху, але одночасно означало завершення «захоплюючого відкриття».

У 1969 р. Б. одружився на Лорі Ваглер, психолога; у них дочка і син.

Крім досліджень, Б. цікавлять лижі, футбол, теніс, гольф і вітрильний спорт. Талановитий музикант, він складає музику, грає на скрипці і гітарі і співає. З 1986 р. є членом вченої ради ІБМ, тобто займає один з вищих наукових постів в корпорації.

Б. і Рорер отримали за свою роботу, крім Нобелівської премії, та інші нагороди. У 1984 р. вони розділили премію Хьюлетта-Паккарда Європейського фізичного товариства і міжнародну наукову премію короля Фейсала і уряду Саудівської Аравії за зусилля щодо створення скануючого туннелирующего мікроскопа. Б. також нагороджений Фізичної премією Німецького фізичного товариства (1982).