​新的显微镜概念 提出了在基本极限条件下进行力传感的前景

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1980年代初期扫描探针显微镜的发展带来了成像方面的突破,为纳米世界打开了一扇窗户。关键思想是在基板上扫描极其尖锐的尖端,并在每个位置记录尖端与表面之间相互作用的强度。在扫描力显微镜中,这种相互作用-顾名思义是尖端和表面结构之间的作用力。通常通过测量振动尖端在其扫描沉积在基板上的物体时的动态变化来确定该力。常见的比喻是用手指在桌子上轻敲,然后感测放置在表面上的物体。苏黎世联邦理工学院物理系Christian Degen教授的高级科学家Alexander Eichler领导的一个团队将这种范例颠倒了。写在在《 Physical Review Applied》上,他们报告了第一台扫描力显微镜,在该显微镜下,尖端静止不动,而上面带有样品的基底振动。

​新的显微镜概念 提出了在基本极限条件下进行力传感的前景

通过“在手指下振动工作台”进行力显微镜检查可能会使整个过程变得更加复杂。从某种意义上说确实如此。但是,掌握这种反向方法的复杂性会带来巨大的回报。新方法有望将力显微镜的灵敏度提高到其基本极限,超出了传统“指尖敲击”方法进一步改进所能预期的范围。


出色的灵敏度的关键是基板的选择。Eichler,Degen及其同事的实验中的“桌子”是由氮化硅制成的穿孔膜,厚度仅为41 nm。ETH物理学家的合作者,丹麦哥本哈根大学的Albert Schliesser组,已经将这些低质量的膜确立为具有极端“品质因数”的出色纳米机械谐振器。也就是说,一旦贴上膜,它就会振动数百万次甚至更多次,然后才能停止。鉴于这些出色的机械性能,振动“桌子”而不是“手指”变得有利,至少在原则上。


实施新概念


将这一理论承诺转化为实验能力是Degen和Schliesser小组之间正在进行的项目的目标,在苏黎世联邦理工学院理论物理研究所的Ramasubramanian Chitra博士和Oded Zilberberg教授的理论支持下。作为这一旅程的一个里程碑,实验团队现已证明基于膜的扫描力显微镜的概念可在实际设备中使用。


特别是,他们表明,既没有在样品上装膜,也没有将吸头带到几纳米的距离内,都不会损害膜的优异机械性能。但是,一旦尖端更靠近样品,膜的频率或振幅就会改变。为了能够测量这些变化,该膜不仅具有尖端和样品相互作用的孤岛,而且还具有第二个-与第一个机械耦合的第二个-可以部分反射激光束,从而提供敏感的光学特性。干涉仪。


量子是极限


通过使用此设置,该团队成功解决了金纳米颗粒和烟草花叶病毒。这些图像是新颖的显微镜概念的原理证明,但它们尚未将功能推向新的领域。但是目的地就在那里。研究人员计划将他们的新方法与称为磁共振力显微镜(MRFM)的技术相结合,以实现具有单个原子分辨率的磁共振成像(MRI),从而提供对病毒的独特见解。


原子尺度MRI将是成像的另一项突破,它将最终的空间分辨率与关于成像原子的高度特定的物理和化学信息相结合。为了实现该愿景,需要接近量子力学给出的基本极限的灵敏度。该团队有信心通过膜工程和测量方法的进一步发展,能够实现这种“量子受限”的力传感器。通过证明基于膜的扫描力显微镜技术是可行的,这个宏伟的目标现在已经迈出了一大步。

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