Эксперименты, проводимые в Венском университете, проводятся в этом сложном промежуточном мире: чрезвычайно маленькие кусочки золота, состоящие из нескольких тысяч атомов и имеющие диаметр порядка десяти нанометров, бомбардируются высокозаряженными ионами. Это позволяет целенаправленно изменять форму и размер этих золотых изделий. Результаты показывают: то, что происходит в процессе, нельзя просто представить как попадание мяча для гольфа в бункер с песком - взаимодействие иона и кусочка золота гораздо более тонкое.

Энергия, передаваемая при ионной бомбардировке

"Мы работаем с многократно ионизированными атомами ксенона. Из этих атомов удаляется до 40 электронов, поэтому они сильно электрически заряжены", - говорит профессор. Ричард Вильгельм из Института прикладной физики Венского университета. Затем эти высокозаряженные ионы попадают на маленькие островки золота, помещенные на изолирующую подложку, и тогда могут произойти разные вещи: островки золота могут стать более плоскими, они могут расплавиться, они могут даже испариться. "В зависимости от того, насколько сильно электрически заряжены наши ионы, мы можем вызывать различные эффекты", - говорит Габриэль Сабо, первый автор текущего исследования, который в настоящее время работает над своей диссертацией в команде Ричарда Вильгельма.

Высокозаряженные ионы ударяются о крошечные золотые самородки с повышенной скоростью - около 500 километров в секунду. Тем не менее, примечательно, что не сила удара меняет золотые острова. Этот процесс полностью отличается от попадания мяча для гольфа в кучу песка или случайного попадания теннисного мяча в красиво украшенный праздничный торт.

"Если вы выстрелите незаряженными атомами ксенона в золотые островки с той же кинетической энергией, золотые островки останутся практически неизменными", - говорит Габриэль Сабо. "Таким образом, решающим фактором является не кинетическая энергия, а электрический заряд ионов. Этот заряд также несет в себе энергию, и она откладывается точно в месте удара."

Изменения в электронной структуре

Как только чрезвычайно сильно положительно заряженные ионы попадают на наночастицу золота, они выхватывают электроны из золота. В большом куске золота это не имело бы существенного эффекта: золото является отличным проводником, электроны могут свободно перемещаться, и больше электронов поступало бы из других областей золотого самородка. Но структуры из нанозолота настолько малы, что их больше нельзя рассматривать как неисчерпаемый резервуар электронов. Именно здесь человек попадает в промежуточный мир между макроскопическим металлом и крошечными атомными кластерами и их наноразмерными свойствами.

"Энергия заряда ударяющегося иона передается золоту, таким образом, электронная структура всего объекта из нанозолота полностью выводится из равновесия, атомы начинают двигаться, и кристаллическая структура золота разрушается", - объясняет Ричард Вильгельм. "В зависимости от того, сколько энергии вы вкладываете, может даже случиться так, что весь кусочек нанозолота расплавится или испарится".

Эффекты ионной бомбардировки затем можно изучить в атомно-силовой микроскоп: в зависимости от заряда ионов высота золотых изделий уменьшается в меньшей или большей степени, сообщает Габриэль Сабо: "Как и предсказывали наши модели, мы можем контролировать воздействие ионов на золоте - и не по скорости, которую мы придаем нашим снарядам, а скорее по их заряду."

Улучшенный контроль и более глубокое понимание таких процессов важны для создания широкого спектра наноструктур. "Это метод, который позволяет выборочно редактировать геометрию особенно небольших конструкций. Это так же интересно для создания микроэлектронных компонентов, как и для так называемых квантовых точек - крошечных структур, которые позволяют создавать очень специфические электронные или оптические эффекты благодаря своим квантово-физическим свойствам", - говорит Ричард Вильгельм.

И это еще одно проникновение в мир маленьких, но еще не крошечных вещей - в многогранный промежуточный мир между квантовой физикой и физикой твердого тела, который можно понять, только имея в виду квантовые явления и явления многих частиц одновременно.