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举个栗子:世界最小电影是怎样制作出来的?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 299次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:世界最小电影是怎样制作出来的?

你可能看过无数的电影,其中有最感人至深的,有最令人捧腹的,但是你欣赏过由吉尼斯世界纪录认定的世界上最小的电影吗?

2013 年 5 月 2 日,IBM 的科学家发布了一分半左右的影片名为《男孩和他的原子》。黑白的颜色,球状颗粒组成的图形和极其简单的剧情让人以为这是十九世纪的拙作。但事实上,这部短短的影片使用了当今世界最尖端的技术——简而言之,你看到的“影片”是被放大了一亿倍之后的效果。

那么,这部世界最小影片是怎样制作出来的呢?IBM 科学家的“幕布”是铜制的衬底,而“演员”竟是一个一个的一氧化碳分子。科学家们通过对铜衬底表面上一氧化碳分子的移动和摆放,形成单帧静态的原子尺度的图像。令人感兴趣的是,他们是如何“摆放”大小不足一个纳米的一氧化碳分子呢?又是怎样“拍摄”出这样微小的影像呢?

IBM 的科学家使用扫描隧道显微镜(STM)进行原子尺度的成像。STM 控制一根尖尖的探针,沿铜衬底表面进行逐行扫描,当探针尖端靠近样品时,加在探针和样品上的电压会在两者之间产生隧道电流,其大小与两者的间距有关。当扫描探针遇到一个一氧化碳分子时,仪器感受到电流的变化,并通过反馈机制抬高探针来维持隧道电流的恒定,抬起的高度就反映了原子的形貌。逐行扫描完成时就“看到”了原子尺度的画面。

这就像是盲文的阅读方式:当你闭上眼睛用手指在桌子上抚摸,遇到凸起或凹下的地方就记下手指抬起或按下的高度。这样不需要睁开眼睛,你也能知道桌子表面的形状。扫描隧道显微镜的工作原理与此类似,但精确和可靠得多。IBM 的这种仪器重达两吨,其中的各种机构和电路能够将温度、压力和振动频率控制在极其精准的范围内。它工作在液氦的温度(也就是零下二百六十八摄氏度)环境下,它的手指——探针尖端通常只有一个原子。  

回答了如何“拍摄”原子后,“摆放”原子也就顺理成章。IBM 的科学家仍然利用扫描隧道显微镜的探针,首先将探针定位到将要移动的分子的位置,然后将探针进一步的靠近一氧化碳分子,调高隧道电流的大小,在针尖原子和受控原子之间建立起具有吸引作用的化学键。最后就可以移动探针来“牵引”受控分子到达设定的位置。

在创造出 242 帧这样的定格动画后,再将它们连起来播放并配上音乐,“世界最小电影”就这样诞生了。

有人可能会怀疑 IBM 的“拍摄”技术,因为他们在影片中看到一圈又一圈的“重影”。实际上,这正好显示了微观世界的奇妙。这些“重影”正是一氧化碳分子靠近铜衬底时,在铜板上的铜原子电子中产生的干扰。那一圈圈的波纹是电子的概率波的体现(延伸阅读:《量子力学中的波》),类似于把物体放在水面上时引起的涟漪。

这样的技术有何现实意义呢?还记得影片第一幕那紧密排列的 12 个原子吗?影片正是以此纪念 IBM 科学家在存储领域的一个突破——成功地使用 12 个原子存储一比特位的数据。要知道以目前的技术,存储一比特位数据需要多达一百万个原子,更少的原子使用意味着更小的存储器件和更大的数据量,也许未来的手机等智能设备可以做的极其微小。

什么?还要问这部影片有什么价值?这是科学家们的一种娱乐方式——我们就是能做到!


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