Используя существующую технику по-новому, физик из Корнелла Кит Шваб и его коллеги из Корнеллского и Бостонского университетов создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который может отображать отдельные атомы на поверхности, по крайней мере в 100 раз быстрее.
Простая адаптация, основанная на методе измерения, используемом в настоящее время в наноэлектронике, также может дать СТМ новые важные возможности, включая способность измерять температуру в точках размером с один атом и обнаруживать изменения в положение столь крошечное, как 0,00000000000001 метра: расстояние в 30 000 раз меньше, чем диаметр атома.
СТМ использует квантовое туннелирование, или способность электронов «туннелировать» через барьер, для обнаружения изменений расстояния между игольчатым зондом и проводящей поверхностью. Исследователи подают на образец небольшое напряжение и перемещают зонд - простую платино-иридиевую проволоку, обрезанную так, чтобы она заканчивалась в точке шириной всего в один атом - всего на несколько ангстрем (десятых долей нанометра) над поверхностью образца. Измеряя изменения тока по мере того, как электроны туннелируют между образцом и зондом, они могут реконструировать карту топологии поверхности вплоть до атомного уровня.
С момента своего изобретения в 1980-х годах СТМ сделал возможными крупные открытия в различных областях, от полупроводниковых технологий до наноэлектроники.
Но хотя ток может измениться за наносекунду, измерения с помощью СТМ мучительно медленны. И ограничивающим фактором является не сам сигнал, а базовая электроника, участвующая в его анализе. Теоретически STM мог бы собирать данные так же быстро, как электроны могут туннелировать - со скоростью один гигагерц или 1 миллиард циклов в секунду полосы пропускания. Но типичный STM замедляется из-за емкости или накопления энергии в кабелях, составляющих его схему считывания, примерно до одного килогерца (1000 циклов в секунду) или меньше..
Исследователи испробовали множество комплексных средств. Но в конце концов, по словам Шваба, доцента физики Корнеллского университета, решение оказалось на удивление простым. Добавив внешний источник радиочастотных (РЧ) волн и отправив волну в СТМ через простую сеть, исследователи показали, что можно определить сопротивление в туннельном переходе и, следовательно, расстояние между зондом и поверхностью образца. на основе характеристик волны, которая отражается обратно к источнику.
Техника, называемая рефлектометрией, использует стандартные кабели в качестве путей для высокочастотных волн, которые не замедляются емкостью кабелей.
«Существует шесть порядков между фундаментальным пределом частоты и тем, где работают люди», - сказал Шваб. С адаптацией RF скорость увеличивается в 100-1000 раз. «Мы надеемся, что сможем производить больше или меньше видеоизображений, в отличие от сканирования, которое занимает целую вечность».
Установка также предлагает потенциал для термометрии с атомным разрешением - точных измерений температуры любого конкретного атома на поверхности - и для настолько чувствительного обнаружения движения, что оно может измерять движение на расстоянии, в 30 000 раз меньшем, чем размер атом.
«Этот STM будет использоваться для многих хороших физических экспериментов», - сказал Шваб. «Как только вы откроете этот новый параметр, всю эту полосу пропускания, люди найдут способы ее использовать. Я твердо верю, что через 10 лет вокруг будет много RF-STM, и люди будут проводить всевозможные большие эксперименты с их."
Находка описана в выпуске журнала Nature от 1 ноября. Исследование было поддержано Национальным научным фондом.