I laboratoriet til datagiganten IBM sitter en gruppe forskere og dytter på atomer. Takket være et av verdens kraftigste mikroskoper, et såkalt scanning tunneling microscope, kan de ikke bare flytte på enkeltatomer, de kan ta bilder av det også.

Teknologien bruker de vanligvis til å forske på datalagring, men i det siste har forskerne vært i det kreative hjørnet. De har nemlig laget verdens minste film.

I filmen brukes enkeltatomer til å animere en gutt som blir kjent med et atom. Den 90 sekunder lange filmen er satt sammen av flere enkeltbilder, såkalt stop-motion filming, og består utelukkende av enkeltatomer forstørret 100 millioner ganger.

For å sette det i perspektiv: forstørrer du en appelsin 100 millioner ganger blir den like stor som jordkloden.

Se verdens minste film under. Legg også merke til bølgene som sprer seg fra partiklene. Disse er eksempler på sannsynlighetsprinsippet som vi kommer inn på senere i artikkelen.

Alle verdens filmer på telefonen

Filmen er først og fremst laget for å vise hva slik teknologi er i stand til.

– Hvis jeg kan lage en film som får tusen barn til å bli med på vitenskap i stedet for å begynne på jus, blir jeg kjempeglad, forteller prosjektleder, Andreas Heinrich, i filmen som forklarer hvordan animasjonen ble til.

Men det er ikke bare animasjon forskerne i laboratoriet driver med. Teknologien som ligger bak filmen, evnen til å flytte enkeltatomer, er helt nødvendig i forskningen på datalagring på atomnivå.

– Spørsmålet vi har lyst til å finne svaret på er veldig enkelt: hvor liten kan en magnet med mulighet for datalagring bli, forklarer Heinrich.

De vanligste harddiskene vi bruker i dag, benytter seg av magnetisk lagring. I disse harddiskene har man strukket grensene til å lagre en bit per 1000 000 atomer. En bit beskriver enten 0 eller 1, og  danner grunnlaget for all datainformasjon.

Forskerne bak animasjonen har sprengt disse grensene og lagret en bit ved hjelp av bare 12 atomer. Riktignok i laboratoriet.

– Du kan bære med deg ikke bare to filmer på din iPhone, men alle filmer som noensinne er laget, sier Heinrich om hva dette kan bety for fremtiden.

Mikroskopet som ga Nobelpris

Den knøttlille harddisken har de laget ved hjelp av det samme supermikroskopet som har laget verdens minste film.

Mikroskopet kalles et scanning tunneling microscope (STM) og bruker kvantefysikk for å ta bilder av de knøttsmå partiklene.

Mikroskopet ble utviklet allerede i 1981 og i 1986 fikk oppfinnerne, Gerd Binnig og Heinrich Rohrer, Nobelprisen i fysikk for arbeidet med det.

Problemet med vanlige optiske mikroskoper er at de fanger opp lys. Lysbølger har en gitt lengde, og så fort noe blir mindre enn denne bølgelengden begynner de optiske mikroskopene å få problemer.

En vei rundt problemet er å bruke et scanning electron microscope, som bruker elektroner i stedet for lys til å gjengi bilder. Men selv disse mikroskopene har en nedre grense.

Så for å kunne se enkeltatomer klart og tydelig var man nødt til å tenke nytt, og det var akkurat det Binning og Rohrer gjorde da de startet arbeidet med STM.

Mikroskopet er i praksis en ekstremt tynn nål med en spiss som er ett atom tynt. Nålspissen holdes over et annet atom, og takket være det kvantefysiske prinsippet kvantetunnelering vil denne nålen registrere atomer som ligger på et bestemt underlag.

Spøkelseselektroner

For å forklare tunnelering må vi først se på sannsynlighetstolkningen i kvantefysikk. Nede i den knøttlille verdenen hvor atomer holder til, gjelder andre fysiske lover enn dem vi er vant til. En av dem er at partikler, som for eksempel elektroner, kan være både et partikkel og en bølge samtidig.

• Les mer: Den knøttlille fysikken

Grunnen er at vi ikke kan vite nøyaktig hvor et partikkel er før vi måler på det. Vi vet bare hvor det er mest sannsynlig at det er. Denne sannsynligheten tegner seg opp som bølger. Bølgetoppene viser til hvor det er mest sannsynlig at partikkelen er, mens bølgebunnene viser hvor det er minst sannsynlig at den er.

Det er i denne bølgetilstanden at vi finner kvantetunnelering. Tunneleringen oppstår når et elektron beveger seg igjennom en barriere den egentlig ikke skulle kunne krysse, altså at den egentlig ikke har nok energi til å komme seg igjennom.

La oss tenke oss at vi kaster en ball på en vegg i et rom. Kaster vi den med en energi som ikke er høy nok til å ødelegge veggen, vil den sprette tilbake igjen.

Men elektronets sannsynlighetsbølge spretter ikke bare tilbake fra veggen, den fortsetter også innover i hindringen mens sannsynligheten avtar. Så er veggen tynn nok, vil sannsynlighetsbølgen fortsette utenfor rommet. Riktignok med en langt mindre sannsynlighet, men den er der.

Og har du nok elektroner i rommet med deg, vil noen av disse elektronene dukke opp på utsiden av rommet også. Elektronene som har reist igjennom veggen har tunnelert.

Flytter på enkeltatomer

STM bruker denne tunneleringen til å registrere endringer i overflaten den scanner. Resultatet er en ekstrem følsomhet som er i stand til å registrere noe så lite som ett eneste atom. Mikroskopet sender  informasjon om dette til en datamaskin som skaper et bilde av det.

Forskerne bak videoen bruker det samme mikroskopet til å flytte på atomene. Når man skal ta bilde holdes nåla i ett atoms avstand fra overflaten.

Ved å flytte nåla enda litt nærmere atomet man vil flytte, oppstår det en reaksjon mellom atomet i nåla og atomet på overflaten som gjør at man kan dra med seg atomet til en ny posisjon. Når man så hever nåla igjen, sørger atomene i underlaget for å holde igjen atomet som har blitt flyttet.

Når forskerne har muligheten til å flytte atomene slik, får de muligheten til å ordne atomer som de vil. Og kan man ordne på universets byggestener som man vil, kan man lage knøttsmå klaser av atomer som kan lagre informasjon. Eller man kan lage film.

Kilder:

A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie på IBM Research sine hjemmesider.

Scanning Tunneling Microscope på Nobelprize.org.