Forskere holder fast i en tovtrækning i atomvåben

(PhysOrg.com) - Hvor svært skal du trække i et enkelt atom - lad os sige - guld for at løsne det fra enden af ​​en kæde af lignende atomer?* Det er et mål for den forbløffende fremgang inden for nanoteknologi, der spørgsmål, der engang kun ville have interesseret fysikere eller kemikere, bliver nu stillet af ingeniører. For at hjælpe med svarene, et forskerhold ved National Institute of Standards and Technology har bygget et ultrastabilt instrument til at trække i kæder af atomer, et instrument, der kan manøvrere og holde positionen af ​​en atomprobe inden for 5 pikometer. **

Grundeksperimentet anvender et NIST-designet instrument inspireret af scanningstunnelmikroskopet (STM). NIST -instrumentet bruger som en sonde en bøde, ren guldtråd trukket ud til en skarp spids. Sonden berøres til en flad guldoverflade, får spidsen og overfladeatomer til at binde sig, og gradvist trukket væk, indtil en enkeltatomskæde (se figur) dannes og derefter går i stykker. Tricket er at gøre dette med så udsøgt positionskontrol, at du kan se, hvornår de to sidste atomer er ved at skilles, og hold alt fast; du kan på det tidspunkt måle stivhed og elektrisk konduktans af enkeltatomkæden, før den brydes for at måle dens styrke.

NIST -teamet brugte en kombination af smart design og obsessiv opmærksomhed på fejlkilder for at opnå resultater, der ellers ville kræve heroiske bestræbelser på vibrationsisolering, ifølge ingeniør Jon Pratt. Et fiberoptisk system monteret lige ved siden af ​​sonden anvender den samme guldoverflade, som sonden rører som et spejl i et klassisk optisk interferometer, der er i stand til at registrere bevægelsesændringer, der er langt mindre end lysets bølgelængde. Signalet fra interferometeret bruges til at kontrollere afstanden mellem overflade og sonde. Samtidigt, en lille elektrisk strøm, der strømmer mellem overfladen og sonden, måles for at bestemme, hvornår krydset er indsnævret til de to sidste atomer i kontakt. Fordi der er så få atomer involveret, elektronik kan registrere, med single-atom følsomhed, de tydelige spring i ledningsevne, når krydset mellem sonde og overflade indsnævres.

Det nye instrument kan parres med en parallel forskningsindsats ved NIST for at skabe en nøjagtig atomskala kraftsensor-f.eks. en mikroskopisk dykkerbræt-lignende cantilever, hvis stivhed er blevet kalibreret på NISTs Electrostatic Force Balance. Fysikeren Douglas Smith siger, at kombinationen burde muliggøre direkte måling af kraft mellem to guldatomer på en måde, der kan spores til nationale målestandarder. Og fordi to guldatomer i det væsentlige er identiske, det ville give andre forskere en direkte metode til kalibrering af deres udstyr. "Vi leder efter noget, som folk, der foretager denne form for måling, kunne bruge som et benchmark til at kalibrere deres instrumenter uden at skulle gå på alle de problemer, vi gør, "Smith siger." Hvad hvis det eksperiment, du udfører, kalibrerer sig selv, fordi den måling, du foretager, har iboende værdier? Du kan foretage en elektrisk måling, der er ret let, og ved at observere konduktans kan du se, når du er kommet til denne enkeltatomkæde. Derefter kan du foretage dine mekaniske målinger ved, hvad disse kræfter skal være og kalibrere dit instrument i overensstemmelse hermed. ”

Ud over dets anvendelse på nanoskala mekanik, siger NIST -holdet, deres systems langsigtede stabilitet på picometerskalaen har løfte om at studere elektroners bevægelse i endimensionelle systemer og enkeltmolekylær spektroskopi.