Het is een van de meest nauwkeurige meetinstrumenten die momenteel beschikbaar zijn:de krachtige microscoop van het Institute of Applied Physics van de TU Wien maakt beelden van individuele atomen door de punt van een fijne naald over een oppervlak te bewegen. De positie van deze tip moet worden gecontroleerd met een precisie in het bereik van picometers, d.w.z., miljardsten van een millimeter. "Dit is vergelijkbaar met het besturen van een naald met de lengte van de hele diameter van de aarde tot een precisie van één millimeter, " legt prof. Michael Schmid van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien uit.

Elke vorm van trilling maakt de microscoop onbruikbaar, dus het is een serieuze technische uitdaging om de beste prestaties uit een dergelijk instrument te halen. Aan de TU Wenen, dit is bereikt met een speciale opstelling die trillingen tot een zeer laag niveau dempt; zelfs trillingen met een zeer lage frequentie, welke het moeilijkst te controleren zijn. Het hele instrument van 1 ton hangt aan bungeekoorden, en een elektronisch regelsysteem past de ophanging aan om deze waterpas te houden. Dit nieuw ontwikkelde systeem is inmiddels gepatenteerd.

Metingen uitvoeren in het centrum van Wenen

"Andere onderzoeksgroepen gebruiken soortgelijke microscopen in aparte kelders, of in speciaal ontworpen gebouwen, " zegt prof. Ulrike Diebold. Ze ontving de Wittgensteinprijs 2013 en een deel van haar prijzengeld werd gebruikt voor de aankoop van deze hoogwaardige microscoop die scanning tunneling microscopie combineert met atoomkrachtmicroscopie. "Als ik op conferenties zeg dat we ons instrument in een hoog gebouw in het midden van Wenen laten draaien, direct boven de metro, collega's zijn verbaasd."

"We realiseerden ons al snel dat conventionele trillingsdemping in ons geval niet genoeg zou zijn, ", zegt Michael Schmid. "Commercieel beschikbare oplossingen filteren hoogfrequente trillingen, maar het is moeilijk om van de lage frequenties af te komen."

Michael Schmid analyseerde eerst de trillingen:wind zorgt ervoor dat het gebouw oscilleert met een frequentie van enkele Hertz, en de metro wekt trillingen op elke keer dat hij eronder passeert. Er was echt speurwerk nodig om te vinden, bijvoorbeeld, de oorsprong van een mysterieuze 20 Hertz-trilling die zo sterk was dat metingen onmogelijk waren, maar alleen op bepaalde momenten van de dag. "Het duurde even voordat we ons realiseerden dat deze trilling wordt veroorzaakt door compressoren in de kelder die worden gebruikt om helium vloeibaar te maken, ", zegt Michael Schmid.

Het trillingsprobleem werd uiteindelijk opgelost door de microscoop aan het plafond te hangen, samen met zijn gehele metalen behuizing. Het hangt aan bungee-koorden omdat deze elastische eigenschappen hebben die bijzonder goed geschikt zijn om laagfrequente trillingen te dempen. De koorden waren in een speciale opstelling met elkaar verweven om tegelijkertijd trillingen die uit verschillende richtingen komen te dempen. Het apparaat zweeft ongeveer twee millimeter boven de grond, en de afstand wordt bewaakt met positiesensoren. Als de hoogte verandert, het systeem past zich automatisch aan door aan extra bungee-koorden te trekken met een van de drie afzonderlijke elektromotoren. "Dat is belangrijk omdat het gewicht tijdens de experimenten verschuift, " legt Michael Schmid uit. "We gebruiken vloeibare stikstof om onze monsters te koelen. Als stikstof verdampt, een deel wordt lichter, maar de totale constructie moet exact horizontaal blijven."

Perfecte afbeeldingen

Met deze speciale ophanging was het mogelijk om het volledige potentieel van de hoogwaardige microscoop te benutten, ondanks de ongunstige ligging. "Het alternatief zou zijn geweest om laboratoriumruimte in een ander gebouw te zoeken, maar dat zou andere nadelen hebben gehad, ", zegt Ulrike Diebold. "Anders zouden we geen gemakkelijke toegang hebben tot vloeibare stikstof en vloeibaar helium. De infrastructuur is uitstekend hier in het Freihaus van TU Wien midden in de stad. Alleen de trillingsomstandigheden zijn allesbehalve optimaal."

Er zijn talloze metingen gedaan met de speciale trillingsdemping en hebben al geleid tot meerdere wetenschappelijke publicaties. Nu is de uitvinding gepatenteerd met steun van de onderzoeks- en overdrachtsondersteuning van de TU Wien. "Natuurlijk hopen we dat andere instellingen ons idee zullen overnemen en ook hun resultaten net zo drastisch zullen verbeteren als wij, ", zegt Michael Schmid.