(PhysOrg.com) -- Hoe hard moet je aan een enkel atoom van -- laten we zeggen -- goud trekken om het los te maken van het uiteinde van een keten van gelijke atomen? * Het is een maatstaf voor de verbazingwekkende vooruitgang in nanotechnologie die vragen die ooit alleen fysici of scheikundigen zouden interesseren, worden nu door ingenieurs gesteld. Om te helpen met de antwoorden, een onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology heeft een ultrastabiel instrument gebouwd om aan ketens van atomen te trekken, een instrument dat de positie van een atoomsonde kan manoeuvreren en vasthouden tot op 5 picometers.**

Het basisexperiment maakt gebruik van een door NIST ontworpen instrument geïnspireerd op de scanning tunneling microscope (STM). Het NIST-instrument gebruikt als sonde een fijn, puur gouden draad getrokken tot een scherpe punt. De sonde wordt aangeraakt op een plat gouden oppervlak, waardoor de punt en oppervlakte-atomen zich hechten, en geleidelijk weggetrokken totdat een enkele atoomketen (zie afbeelding) wordt gevormd en vervolgens breekt. De truc is om dit te doen met zo'n voortreffelijke positiecontrole dat je kunt zien wanneer de laatste twee atomen op het punt staan ​​te scheiden, en houd alles stabiel; je kunt op dat moment de stijfheid en elektrische geleiding van de enkelatoomketen meten, voordat u het breekt om de sterkte te meten.

Het NIST-team gebruikte een combinatie van slim ontwerp en obsessieve aandacht voor foutenbronnen om resultaten te bereiken die anders heroïsche inspanningen zouden vereisen bij het isoleren van trillingen, volgens ingenieur Jon Pratt. Een glasvezelsysteem dat net naast de sonde is gemonteerd, gebruikt hetzelfde gouden oppervlak dat door de sonde wordt aangeraakt als één spiegel in een klassieke optische interferometer die in staat is om bewegingsveranderingen te detecteren die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. Het signaal van de interferometer wordt gebruikt om de opening tussen het oppervlak en de sonde te regelen. Tegelijkertijd, een kleine elektrische stroom die tussen het oppervlak en de sonde stroomt, wordt gemeten om te bepalen wanneer de kruising is versmald tot de laatste twee atomen in contact. Omdat er zo weinig atomen bij betrokken zijn, elektronica kan registreren, met gevoeligheid voor één atoom, de duidelijke sprongen in geleidbaarheid als de verbinding tussen sonde en oppervlak smaller wordt.

Het nieuwe instrument kan worden gecombineerd met een parallelle onderzoeksinspanning bij NIST om een ​​nauwkeurige krachtsensor op atomaire schaal te creëren, bijvoorbeeld een microscopische duikplankachtige cantilever waarvan de stijfheid is gekalibreerd op NIST's Electrostatic Force Balance. Natuurkundige Douglas Smith zegt dat de combinatie de directe meting van kracht tussen twee goudatomen mogelijk moet maken op een manier die herleidbaar is tot nationale meetstandaarden. En omdat elke twee goudatomen in wezen identiek zijn, dat zou andere onderzoekers een directe methode geven om hun apparatuur te kalibreren. “We zijn op zoek naar iets dat mensen die dit soort metingen doen, kunnen gebruiken als een benchmark om hun instrumenten te kalibreren zonder al onze moeite te hoeven doen, Smith zegt. "Wat als het experiment dat je uitvoert zichzelf kalibreert omdat de meting die je doet intrinsieke waarden heeft? Je kunt een elektrische meting doen die vrij eenvoudig is en door geleiding te observeren, kun je zien wanneer je bij deze single-atom chain bent aangekomen. Dan kun je je mechanische metingen doen, wetende wat die krachten zouden moeten zijn en je instrument dienovereenkomstig opnieuw kalibreren.

Naast de toepassing ervan op mechanica op nanoschaal, zeg het NIST-team, De langetermijnstabiliteit van hun systeem op de picometerschaal is veelbelovend voor het bestuderen van de beweging van elektronen in eendimensionale systemen en spectroscopie met één molecuul.