Ophængningssystem til højtydende mikroskopi resulterer i perfekte billeder

Det er et af de mest nøjagtige måleinstrumenter, der findes i dag:Det højtydende mikroskop ved Institute of Applied Physics fra TU Wien får billeder af individuelle atomer ved at flytte spidsen af ​​en fin nålespids hen over en overflade. Placeringen af ​​denne spids skal kontrolleres med en præcision i området af pikometre, dvs. milliarder af en millimeter. "Dette ligner at styre en nål med længden af ​​hele Jordens diameter til en præcision på en millimeter, "forklarer prof. Michael Schmid fra Institute of Applied Physics ved TU Wien.

Enhver form for vibration gør mikroskopet ubrugeligt, så at få den bedste ydelse ud af et sådant instrument er en alvorlig teknisk udfordring. På TU Wien, dette blev opnået med et specielt setup, der dæmper vibrationer til et meget lavt niveau; endda vibrationer med en meget lav frekvens, som er sværest at kontrollere. Hele 1 ton instrument hænger på bungee snore, og et elektronisk kontrolsystem justerer affjedringen for at holde den i vater. Dette nyudviklede system er nu blevet patenteret.

Måler i centrum af Wien

"Andre forskningsgrupper driver lignende mikroskoper i separate kældre, eller i specialdesignede bygninger "siger professor Ulrike Diebold. Hun blev tildelt Wittgenstein -prisen 2013, og en del af hendes præmiepenge blev brugt til at købe dette højtydende mikroskop, der kombinerer scanning af tunnelmikroskopi med atomkraftmikroskopi. "Når jeg på konferencer nævner, at vi driver vores instrument i en højhus midt i Wien, lige over metroen, kolleger er forbløffede. "

"Vi indså hurtigt, at konventionel vibrationsdæmpning ikke ville være nok i vores tilfælde, "siger Michael Schmid." Kommercielt tilgængelige løsninger filtrerer højfrekvente vibrationer, men det er svært at slippe af med de lave frekvenser. "

Michael Schmid analyserede først vibrationerne:vind får bygningen til at svinge med en frekvens på et par Hertz, og metroen ophidser vibrationer, hver gang den passerer nedenunder. Noget ægte detektivarbejde var nødvendigt at finde, for eksempel, oprindelsen til en mystisk 20 Hertz -vibration, der var så stærk, at det gjorde målinger umulige - men kun på bestemte tidspunkter af dagen. "Det tog os et stykke tid at indse, at denne vibration er forårsaget af kompressorer i kælderen, der bruges til at kondensere helium, ”siger Michael Schmid.

Vibrationsproblemet blev endelig løst ved at suspendere mikroskopet fra loftet, sammen med hele metalhuset. Det hænger på bungee -snore, da disse har elastiske egenskaber, der er særligt velegnede til at dæmpe lavfrekvente vibrationer. Ledningerne var sammenflettet i et særligt arrangement for samtidig at dæmpe vibrationer, der kommer fra forskellige retninger. Enheden flyder omkring to millimeter over jorden, og afstanden overvåges med positionssensorer. Hvis højden ændres, systemet justeres automatisk ved at trække i yderligere bungee -snore med en af ​​tre separate elektriske motorer. "Det er vigtigt, fordi vægten skifter rundt under eksperimenterne, "forklarer Michael Schmid." Vi bruger flydende nitrogen til at afkøle vores prøver. Når nitrogen fordamper, den ene del bliver lettere, men den overordnede konstruktion skal forblive nøjagtigt vandret. "

Perfekte billeder

Med denne særlige suspension var det muligt at udnytte det fulde potentiale i det højtydende mikroskop, trods den ugunstige beliggenhed. "Alternativet ville have været at søge efter laboratorierum i en anden bygning, men det ville have haft andre ulemper, "siger Ulrike Diebold." Andre steder ville vi ikke have let adgang til flydende nitrogen og flydende helium. Infrastrukturen er fremragende her i Freihaus i TU Wien midt i byen. Bare vibrationsforholdene er alt andet end optimale. "

Talrige målinger er blevet udført med den særlige vibrationsdæmpning og har allerede resulteret i flere videnskabelige publikationer. Nu er opfindelsen blevet patenteret med støtte fra forskning og overførselsstøtte fra TU Wien. "Selvfølgelig håber vi, at andre institutioner vil tage vores idé op og også forbedre deres resultater så drastisk som vi gjorde, ”siger Michael Schmid.