Utvecklingen av scanningsprobmikroskop i början av 1980-talet gav ett genombrott inom bildbehandling, kastar upp ett fönster ut i världen på nanoskala. Nyckelidén är att skanna en extremt skarp spets över ett substrat och att registrera styrkan i interaktionen mellan spets och yta på varje plats. Vid scanningskraftmikroskopi, denna interaktion är – som namnet antyder – kraften mellan spets och strukturer på ytan. Denna kraft bestäms vanligtvis genom att mäta hur dynamiken hos en vibrerande spets förändras när den skannar över föremål som avsatts på ett substrat. En vanlig analogi är att knacka med ett finger över ett bord och känna av föremål placerade på ytan.

Ett team ledd av Alexander Eichler, senior forskare i gruppen av professor Christian Degen vid Institutionen för fysik vid ETH Zürich, har vänt upp och ner på detta paradigm. Skriver in Fysisk granskning tillämpas , de rapporterar det första scanningskraftmikroskopet där spetsen är i vila medan substratet med proverna på det vibrerar.

Svansen viftar med hunden

Att göra kraftmikroskopi genom att "vibrera bordet under fingret" kan tyckas göra proceduren mer komplicerad. På sätt och vis, det gör det. Men att bemästra komplexiteten i detta omvända tillvägagångssätt kommer med stor utdelning. Den nya metoden lovar att pressa kraftmikroskopins känslighet till sin grundläggande gräns, utöver vad som kan förväntas av ytterligare förbättringar av den konventionella "fingerknackning"-metoden.

Nyckeln till känslighetsökningen är valet av substrat. "Bordet" i Eichlers experiment, Degen och deras medarbetare är ett perforerat membran tillverkat av kiselnitrid, bara 41 nm i tjocklek. Medarbetare till ETH-fysikerna, gruppen av Albert Schliesser vid Köpenhamns universitet i Danmark, etablerade dessa lågmassamembran som enastående nanomekaniska resonatorer med extrema kvalitetsfaktorer. När membranet väl har knackats på, det vibrerar miljontals gånger, eller mer, innan du kommer till vila. Med tanke på dessa utsökta mekaniska egenskaper, det blir fördelaktigt att vibrera bordet snarare än fingret, åtminstone i princip.

Nytt koncept omsatt i praktiken

Att översätta detta teoretiska löfte till experimentell förmåga är målet för ett pågående projekt mellan grupperna Degen och Schliesser, med teoristöd från Dr Ramasubramanian Chitra och Prof. Oded Zilberberg från Institutet för teoretisk fysik vid ETH Zürich. Som en milstolpe på den resan, experimentteamen har nu visat att konceptet med membranbaserad skanningskraftmikroskopi fungerar i en verklig apparat.

Särskilt, de visade att varken laddning av membranet med prover eller att föra spetsen till inom ett avstånd av några nanometer äventyrar membranets exceptionella mekaniska egenskaper. Dock, när spetsen närmar sig provet ännu närmare, frekvensen eller amplituden hos membranet ändras. För att kunna mäta dessa förändringar, membranet har en ö där spets och prov samverkar, samt en andra mekaniskt kopplad till den första, från vilken en laserstråle delvis kan reflekteras, för att tillhandahålla en känslig optisk interferometer.

Quantum är gränsen

Sätter den här inställningen att fungera, teamet lyckades lösa guld nanopartiklar och tobaksmosaikvirus. Dessa bilder fungerar som ett principbevis för det nya mikroskopikonceptet, även om de ännu inte driver kapaciteten till nytt territorium. Men målet är inom räckhåll. Forskarna planerar att kombinera sitt nya tillvägagångssätt med en teknik som kallas magnetisk resonanskraftmikroskopi (MRFM) för att möjliggöra magnetisk resonansavbildning med en upplösning av enstaka atomer, vilket ger unik insikt, till exempel, in i virus.

MRI i atomskala skulle vara ytterligare ett genombrott inom bildbehandling, kombinerar ultimat rumslig upplösning med mycket specifik fysikalisk och kemisk information om de avbildade atomerna. För att förverkliga den visionen, en känslighet nära den fundamentala gränsen som ges av kvantmekaniken behövs. Teamet är övertygat om att de kan realisera en sådan kvantbegränsad kraftsensor genom ytterligare framsteg inom membranteknik och mätmetodik. Med demonstrationen att membranbaserad skanningskraftmikroskopi är möjlig, det ambitiösa målet har nu kommit ett stort steg närmare.