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美科学家揭开单个电子“真面目”
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科学人
网站 2004-07-17
据7月14日的英国《自然》杂志网络版报道，美国IBM公司研制出一种可以感知单个电子的最新装置，首次利用核磁共振成像技术（MRI）查明单个不成对电子的具体位置，并测量出单个电子自旋在磁场中所产生的磁力为10-18牛顿。这是目前使用最灵敏的仪器所能测得的最微弱的力。该成果为科学家绘制分子形状、生成生物分子的三维立体像、探测晶体管内部的原子特征等铺平了道路。
这项突破是由IBM公司设在加利福尼亚州圣何塞市的阿尔马登实验室的一个研究小组取得的，小组负责人丹尼尔.鲁格在《自然》杂志上撰文介绍说，他们耗时12年，终于开发出一种新型三维显微镜，能够看穿物质表面，达到原子级清晰度。
这项装置采用核磁共振压力显微技术(MRFM)，可以精确测量单个电子与一个固定悬臂的磁头之间所产生的磁力。实验中所使用的悬臂磁头的厚度仅有100纳米，比人的头发丝还要细1000倍，长85微米，看上去就像一个缩微跳水板，当电子自旋时，所产生的磁力会使悬臂的摆幅发生非常细微但精确的改变。研究人员用一束激光射向悬臂，一旦悬臂的摆幅变化，就会对激光产生影响，从而感知电子自旋所产生的磁力。为了使这种磁力容易被测定，研究人员施加了一个外力磁场，使电子以每秒钟30亿次的速度上下弹跳，这样一来，悬臂的磁头与自旋并弹跳着的电子之间不断地相互吸引又相互排斥，研究人员便很容易地计算出悬臂摆幅发生了百万分之一的微小变化，并由此测量出单个电子自旋产生的磁力大约为10-18牛顿，仅仅相当于一片雪花重量的百万亿分之一。
研究人员表示，这一技术可以用来研究电子工业常用材料的内部原子结构。目前所使用的扫描隧道显微镜可以显示单个的原子图像，但仅能看穿一到两个原子层，而新的仪器可以感知材料表面以下多个原子层深处的单个电子。丹尼尔.鲁格相信，利用这种测量仪能读出单个电子自旋所记载的信息，可将它作为一个量子机械测定仪，这将有助于量子计算机的研制和开发。
鲁格打算将他们设计的新仪器用于测知原子而非电子，因为二者自旋原理是相同的，这对于获得原子级的三维成像至关重要。但是单个原子核自旋产生的磁力相对于电子来说要微弱600倍。鲁格相信，将悬臂的磁头加以改进，整个测知原子过程可由几个小时缩为短短几秒钟，获得原子级成像也将变得轻而易举。 (科技日报)
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