(PhysOrg.com) -- Hur hårt måste man dra på en enda atom av -- låt oss säga -- guld för att lossa den från slutet av en kedja av liknande atomer?* Det är ett mått på de häpnadsväckande framstegen inom nanoteknik som Frågor som en gång bara skulle ha intresserat fysiker eller kemister ställs nu av ingenjörer. För att hjälpa till med svaren, ett forskarlag vid National Institute of Standards and Technology har byggt ett ultrastabilt instrument för att dra i atomkedjor, ett instrument som kan manövrera och hålla en atomsonds position inom 5 picometers.**

Det grundläggande experimentet använder ett NIST-designat instrument inspirerat av scanning tunneling microscope (STM). NIST-instrumentet använder böter som sond, ren guldtråd utdragen till en vass spets. Sonden vidrörs till en platt guldyta, får spets- och ytatomerna att binda, och dras gradvis bort tills en enatomskedja (se figur) bildas och sedan bryts. Tricket är att göra detta med en sådan utsökt positionskontroll att du kan se när de två sista atomerna är på väg att separera, och håll allt stadigt; du kan vid den punkten mäta styvheten och den elektriska ledningsförmågan hos enatomkedjan, innan du bryter den för att mäta dess styrka.

NIST-teamet använde en kombination av smart design och obsessiv uppmärksamhet på felkällor för att uppnå resultat som annars skulle kräva heroiska ansträngningar för vibrationsisolering, enligt ingenjör Jon Pratt. Ett fiberoptiskt system monterat precis bredvid sonden använder samma guldyta som berörs av sonden som en spegel i en klassisk optisk interferometer som kan upptäcka förändringar i rörelse som är mycket mindre än ljusets våglängd. Signalen från interferometern används för att kontrollera gapet mellan yta och sond. Samtidigt, en liten elektrisk ström som flyter mellan ytan och sonden mäts för att avgöra när förbindelsen har minskat till de två sista atomerna i kontakt. Eftersom det är så få atomer inblandade, elektronik kan registrera, med enatoms känslighet, de distinkta hoppen i konduktivitet när förbindelsen mellan sond och yta smalnar av.

Det nya instrumentet kan paras ihop med en parallell forskningsinsats vid NIST för att skapa en exakt kraftsensor i atomskala - till exempel, en mikroskopisk trampbräda-liknande cantilever vars styvhet har kalibrerats på NIST:s Electrostatic Force Balance. Fysikern Douglas Smith säger att kombinationen borde möjliggöra direkt mätning av kraft mellan två guldatomer på ett sätt som kan spåras till nationella mätstandarder. Och eftersom två guldatomer är i huvudsak identiska, som skulle ge andra forskare en direkt metod att kalibrera sin utrustning. "Vi är ute efter något som människor som gör den här typen av mätningar kan använda som ett riktmärke för att kalibrera sina instrument utan att behöva göra allt vi gör, " säger Smith. "Tänk om experimentet du utför kalibrerar sig själv eftersom mätningen du gör har inneboende värden? Du kan göra en elektrisk mätning som är ganska enkel och genom att observera konduktans kan du se när du har kommit till denna enatomskedja. Sedan kan du göra dina mekaniska mätningar och veta vad dessa krafter bör vara och omkalibrera ditt instrument därefter.”

Förutom dess tillämpning på nanoskala mekanik, säger NIST-teamet, deras systems långsiktiga stabilitet på pikometerskalan lovar att studera elektronernas rörelse i endimensionella system och enmolekylsspektroskopi.