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揭秘全球最小电影:放大1亿倍的原子
2013-05-03 17:04:10  作者: 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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IBM科学家日前宣布,他们采用宇宙中最小的元素之一原子制作出世界上最小的电影。这部获得吉尼斯认证的电影名为《A Boy and His Atom》,采用数千个精确放置的原子制作了近250帧的定格动画动作。

《A Boy and His Atom》刻画了一个名为Atom的角色将一个原子当成朋友,踏上了一段充满乐趣的旅程,包括跳舞、玩接球游戏和跳蹦床。影片配以了活泼的背景音乐,以一种非研究的独特方式,传达科学概念,并展现了科学世界的魅力。

BM研究院项目负责人安得利斯-海恩瑞希(Andreas Heinrich)说:“通过挥手,人们就可以制造原子的运动,而通过捕捉、定位和塑形原子,并在原子量级制作原创电影是一门严谨的科学,同时也是一种全新的方法。IBM研究员并不仅仅是解析科学,而且亲身实践。该影片是分享原子级世界的有趣方式,向普通人展示了科学带来的挑战和乐趣。”


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制作电影及如何操作原子

为了制作电影,科学家们采用了IBM发明的扫描式隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope/STM)移动原子。

IBM研究院研究科学家克里斯托弗-卢茨(Christopher Lutz)说:“这个曾经获得诺贝尔奖的工具有史以来第一次使科学家能够以单个原子的形式展现世界。这个设备重达两吨,在零下268摄氏度下工作,并将原子表面放大超过1亿倍。精确控制温度、压力和震动的能力使我们的IBM研究院实验室成为世界上为数不多的能够如此精确地移动原子的地方之一。”

IBM研究员在一台标准计算机上采用远程操作的方式,使用STM控制一个超锋利的针头沿着一个铜表面来“感觉”原子行进。针头距表面仅有1纳米,即一米的十亿分之一,可以真正地吸引表面的原子和分子,从而精确地将它们放入表面上的指定位置。移动的原子发出独特的声音,这是确定原子到底移动了多少个位置的关键反馈信息。

在制作电影时,科学家们形成了单独排列的原子的静态图像,共计242个单帧

“收纳”大数据的需求

制作世界上最小的电影对IBM来说并不是全新的创意。几十年来,IBM研究院的科学家一直在纳米级对材料进行研究,努力探索数据存储等的极限。

随着计算机电路向原子量级尺寸缩减,根据摩尔定律发展了几十年之后,芯片设计人员采用传统技术已经接近了物理极限。原子具有良好控制的表面,对于原子磁性和属性的非常规方法的探索使IBM科学家能够识别出全新的计算路径。

借助工程数据存储设备所用的最小物体单个原子,制作该影片的IBM研究员最近还创建了世界上最小的磁位。他们最先回答了可靠地存储一位(bit/比特)磁信息需要多少个原子的问题:12个。通过对比得知,在现代计算机或电子设备上存储一位数据需要大约100万个原子。如果这种原子级的存储技术实现商用,这种原子存储器有朝一日能够将有史以来所有的影片存储在一个指甲盖大小的设备中。

海恩瑞希(Heinrich)表示:“该研究指向全新的方向,即探索超越短期工程性解决方案的前瞻性命题。随着数据的创建和消耗量日益增大,数据存储占有的空间需要进一步缩小,一直缩减到原子级别。我们正利用这些技术提出新的计算架构,以及在制作本部电影时以替代方式存储数据。”

电影制作的背后:扫描式隧道显微镜

自从第一台显微镜被发明以来,世界各地的研究人员和科学家不断寻找新的方式,力求进一步加深对于微观世界的了解。1981年,IBM公司的两位研究人员GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描式隧道显微镜(STM),开辟了微观科学的新天地。

Binnig和Rohrer前所未有的发明使科学家能够观察由分子和原子组成的世界。STM在1986年获得了诺贝尔物理学奖,并且被广泛认为是打开纳米技术和在多个领域中广泛探索的大门,包括电化学、半导体科学和分子生物学。

STM是由两位希望进一步拓宽科研边界的科学家合作开发的。通过20世纪70年代末在IBM苏黎世实验室共同合作,Binnig和Rohrer凭借在超导性研究领域的背景,都热衷于对原子表面的研究—由于表面的独特特征,这是一个极为复杂而且让科学家感到困惑的主题。但是,他们的探索受到了现有工具状态的限制。没有一种技术允许科学家直接探索表面的电子结构和缺陷。

普通的显微镜采用光学镜头,可以观察比光波长还要小的物体。电子显微镜可以观察更小的物体,而清晰度高于光学显微镜,但仍无法清晰地观察单个原子。

于是,Binnig和Rohrer决定设计出自己的仪器–能够在纳米级观察并处理原子。为了做到这一点,他们开始试验隧道方法,这是一种量子现象,即原子从固体表面脱离,形成一种笼罩在表面的云;在另一个表面接近时,其原子云叠加到上面,并发生原子交换。

通过调整极短距离内的样本表面上的尖锐金属导线,Binnig和Rohrer发现,导线和表面之间的电流量可以测量出来。电流的变化可提供关于内部结构和表面的高度地形信息。通过这些信息,我们可以建立样本表面的三维原子级地图。

1979年1月,Binnig和Rohrer提交了关于STM的第一个专利申请。很快,在同事Christoph Gerber的帮助下,他们开始设计制造显微镜。

在设计STM的前几个月内,两位发明人必须对原始设计进行一系列调整,以准确地产生如此微小量级的测量结果。这些更改减少了变化和噪声,更准确地控制扫描导线的位置和移动;并且提高了探针导线本身的锐度。

他们的第一次试验是采用金晶体的表面结构。最终的图像显示了各行间隔精确的原子和由一个原子高度分隔开的大平台。据Binnig在诺贝尔奖颁奖仪式上关于最初试验的讲座中谈到,“我目不转睛地盯着图像。我进入了一个全新的世界。”

经过多显微镜的多次调整,其机械设计的精度大大提高,而且图像也更加清晰。很快,全世界的科学奖都开始认识到了Binnig和Rohrer的发明的重要意义,他们有史以来第一次能够了解纳米级世界的每个原子和分子。

STM也可用于推拉每个原子,因此,这也标志着人类第一次能够处理如此之小的物体。

在第一台STM制造出来五年后向Binnig和Rohrer授予诺贝尔物理学奖时,诺贝尔奖委员会表示,这项发明开辟了“物质结构研究……的新天地”。Binnig和Rohrer具有突破意义的发明是纳米技术研究的起点—IBM在这个领域一直作为先驱者。由于其高分辨率的成像能力和广泛的适用性,STM主要应用于物理、化学、工程设计和材料科学领域。

原子力显微镜(AFM)是STM的后代产品,由Binnig在1986年开发出来,它通过对非导电材料进行成像而开辟了显微镜的全新应用领域。除了AFM之外,Binnig和Rohrer的扫描式隧道显微镜还导致相关仪器和技术的出现,使我们观察、探索和处理以前无法观察到的表明和材料的能力发生了革命性变化。

奇迹!IBM用原子打造出“全球最小电影”

文:新浪科技

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