Микроскопы подвержены влиянию хаоса?

«Идея о том, что эффект хаоса влияет на работу атомно-силового микроскопа, высказывалась уже неоднократно, но сейчас мы смогли доказать этот факт», — сообщил Арвинд Раман (Arvind Raman), профессор механики из университета Пердью и руководитель исследования.

Проф. Раман и докторант Шуйцин Ху (Shuiqing Hu) выявили с помощью серий экспериментов величину ошибок, вызванных эффектом хаоса. Эта информация поможет исследователям делать более точные измерения на атомно-силовом микроскопе, сообщает SpaceDaily. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) получают трехмерные изображения структур для исследований в области нанотехнологий, электроники, телекоммуникаций и биотехнологий. Исследователи используют АСМ, чтобы изучить поверхностные свойства объектов и материалов в масштабе нанометров.

Принцип работы АСМ следующий: игла микроскопа, присоединенная к пластине, подносится к поверхности объекта. Пластина начинает совершать колебания вместе с колебаниями пьезоэлектрического кристалла, который, в свою очередь, начинает осциллировать, если на него подается напряжение. Меняя напряжение на кристалле, можно контролировать амплитуду колебаний иглы. Поскольку игла движется вверх и вниз, на нее начинают влиять различные силы, в том числе и межатомные силы притяжения Ван дер Ваальса. Влияние их увеличивается по мере приближения иглы к объекту. Учитывая величины этих сил, исследователи позиционируют иглу максимально близко к поверхности объекта. Таким образом, игла начинает колебаться соответственно изменениям контуров объекта на атомном уровне, и ее колебания передаются пластинке. Колебания пластинки отслеживаются, и по ним воссоздается топология поверхности объекта. Такой способ использования микроскопа часто называют осциллирующим режимом.

«Чтобы картина, полученная этим способом, была точной, колебания иглы должны четко повторять рельеф объекта. Но иногда игла внезапно начинает колебаться хаотично, генерируя ошибки в измерениях», — поясняет проф. Раман. Чтобы выяснить причину этого явления, Ху увеличил движущую силу пьезоэлектрического кристалла, в то время как микроскоп работал в осциллирующем режиме. Исследование показало, что увеличение амплитуды колебаний пластины до определенной величины приводило к резким хаотическим колебаниями. Затем, при небольшом добавочном увеличении амплитуды колебания возвращались в норму, а при дальнейшем увеличении снова возникали хаотические колебания. Эксперименты проводились при различных условиях, в том числе и в воздухонепроницаемом боксе, заполненном чистым азотом, чтобы исключить влияние водяного пара. Ху также проанализировал полученные данные с помощью программных алгоритмов, используемых для идентификации эффекта хаоса на фондовых биржах. «Это первое экспериментальное доказательство того, что при некоторых операционных режимах пластины АСМ могут колебаться хаотично. Но мы отнюдь не утверждаем, что нашли ответы на все вопросы, касающиеся проявлений эффекта хаоса в атомно-силовой микроскопии. Возможно, существуют и другие причины хаотических колебаний», — комментирует проф. Раман.

Ошибки, вызванные влиянием эффекта хаоса, приводят к погрешностям всего в несколько нанометров. По словам проф. Рамана, ошибки «являются незначительными по сегодняшним стандартам», поскольку измерения производятся в масштабе приблизительно 1,5 тыс. нм, и несколько нанометров роли не играют. Но уже разрабатываются более точные технологии, масштабы измерений для которых составят 2–3 нм, и в будущем полученная информация позволит избежать погрешностей измерения, связанных с хаотическим эффектом.

В результате проведенных исследований ученым также удалось выяснить, какие типы пластин в АСМ более подвержены влиянию хаотических процессов в зависимости от материала и жесткости. Другим важным открытием, по словам проф. Рамана, является тот факт, что тот же вид хаоса присутствует и в мире обычной физики. Исследователи полагают, что хаотические отклонения микроскопа могут быть вызваны силами, связанными с квантовой механикой.

#gallery#

Эффект хаоса обычно наблюдается в явлениях большого масштаба — погодных явлениях, движениях космических объектов, внезапных изменениях в сердечных ритмах или действиях механических систем. В этих случаях хаотическое поведение, как правило, вызывается незначительными и, по-видимому, не связанными друг с другом случайными событиями. Это так называемый «эффект бабочки» в теории хаоса. Суть его состоит в том, что незначительные изменения в начальных состояниях системы приводят к большим изменениям в дальнейшем. Изменения в атмосфере, вызванные взмахом крыльев бабочки, могут, в конечном счете, объединиться с другими случайными событиями, чтобы год спустя вызвать смертоносный ураган за тысячи километров от этого места.

«Хаос и нанотехнологию редко упоминают вместе, но нужно знать, что хаос встречается не только в макросистемах», — сказал Раман.