苏黎世联邦理工学院 穿孔氮化硅膜用作力传感器
两个耦合的“岛”经历平面外振动
在其中一个上装载样品，另一个用激光干涉仪测量振动
金属扫描尖端与样品相互作用并改变振动
信用:苏黎世联邦理工学院亚历山大·艾克勒 20世纪80年代早期，扫描探针显微镜的发展带来了成像技术的突破，打开了一扇通向纳米级世界的窗户
关键的想法是在基底上扫描一个非常尖锐的尖端，并在每个位置记录尖端和表面之间的相互作用强度
在扫描力显微镜中，顾名思义，这种相互作用是指尖端和表面结构之间的力
该力通常通过测量振动尖端在扫描沉积在基底上的物体时的动态变化来确定
一个常见的类比是用手指轻敲桌子，感知放在桌面上的物体
由亚历山大·埃奇勒领导的团队，他是教授团队中的高级科学家
苏黎世联邦理工学院物理系的克里斯蒂安·德根已经将这一范式颠倒过来
他们在《物理评论应用》中写道，他们报道了第一台扫描力显微镜，其中尖端处于静止状态，而其上带有样品的基底在振动
摇尾巴 通过“在手指下振动桌子”进行力显微镜检查似乎会使过程更加复杂
从某种意义上说，的确如此
但是掌握这种逆向方法的复杂性会带来巨大的回报
这种新方法有望将力显微镜的灵敏度推向其基本极限，超出传统“手指敲击”方法的进一步改进所能预期的范围
灵敏度提高的关键是基底的选择
艾克勒、德根和他们的同事实验中的“桌子”是一个由氮化硅制成的穿孔膜，厚度仅为41纳米
联邦理工学院物理学家的合作者，丹麦哥本哈根大学的阿尔伯特·谢里泽团队，建立了这些低质量膜，作为具有极端品质因子的杰出纳米机械谐振器
一旦薄膜被敲击，它就会振动数百万次，甚至更多，然后停止
鉴于这些精致的机械性能，至少在原则上，振动桌子比振动手指更有利
岛屿之间的距离大约是半毫米
信用:苏黎世联邦理工学院大卫·黑格和肖伯纳·米苏拉 新概念付诸实践 将这一理论承诺转化为实验能力是德根和谢里泽团队正在进行的一个项目的目标
Ramasubramanian Chitra和Prof
苏黎世联邦理工学院理论物理研究所的奥德·齐伯伯格
作为这一旅程的里程碑，实验团队现在已经证明了基于膜的扫描力显微镜的概念在真实设备中是有效的
特别是，他们表明，无论是在膜上装载样品，还是将尖端置于几纳米的距离内，都不会损害膜的特殊机械性能
然而，一旦尖端更接近样品，膜的频率或振幅就会改变
为了能够测量这些变化，膜的特征在于尖端和样品相互作用的岛，以及机械耦合到第一个的第二个岛，激光束可以从第一个岛部分反射，以提供灵敏的光学干涉仪
量子是极限 将这种设置付诸实施后，研究小组成功地解决了金纳米粒子和烟草花叶病毒
这些图像为新颖的显微镜概念提供了原理证明，尽管它们还没有将这种能力推向新的领域
但是目标已经实现了
研究人员计划将他们的新方法与一种被称为磁共振力显微镜(MRFM)的技术相结合，以实现单原子分辨率的磁共振成像，从而提供对病毒等的独特见解
原子尺度的核磁共振成像将是成像的另一个突破，将终极空间分辨率与成像原子的高度特异性物理和化学信息相结合
为了实现这一愿景，需要接近量子力学给出的基本极限的灵敏度
该团队相信，通过膜工程和测量方法的进一步发展，他们可以实现这种量子限制力传感器
随着基于膜的扫描力显微镜的证明成为可能，这个雄心勃勃的目标现在又向前迈进了一大步
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