Прошли испытания новой модификации магниторезонансного силового микроскопа

Группа физиков из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне и Северо-Западного университета (оба — США) модернизировала конструкцию магниторезонансного силового микроскопа.

Традиционная магниторезонансная силовая микроскопия (МРСМ) объединяет достоинства нескольких известных методик и даёт возможность получать трёхмерные изображения весьма высокого качества с разрешением в ~10 нм. При исследовании по технологии МРСМ механический осциллятор — кантилевер — используют для регистрации малых магнитных сил, соотносимых с небольшим количеством магнитных моментов (спинов).

Образец можно закрепить прямо на кантилевере, и тогда содержащиеся в веществе образца спины (ядра водорода), «чувствуя» воздействие специально созданного градиента магнитного поля, будут заставлять кантилевер колебаться.

Амплитуда магнитных сил, обнаруживаемых в подобных экспериментах, доходит до единиц аттоньютонов (1 аттоньютон = 10–18 Н). Такая чувствительность намного превосходит возможности обычной медицинской магниторезонансной томографии и позволяет исследовать вирусные частицы. Однако заявленной целью МРСМ было изучение одиночных биологических молекул, и достичь этого никому пока не удалось.

Чтобы сделать магниторезонансный силовой микроскоп ещё более чувствительным, необходимо, очевидно, улучшать характеристики датчика силы — осциллятора. Идеальный его вариант должен иметь низкую жёсткость, высокую резонансную частоту и малое затухание. Этим требованиям может соответствовать только осциллятор с очень небольшой массой, поэтому американцы, изменяя конструкцию микроскопа, попробовали использовать в качестве кантилевера кремниевую нанопроволоку длиной в 15 мкм, диаметр тонкого конца которой составлял 35 нм.

Рис. 1. Схема эксперимента (иллюстрация APS / Alan Stonebraker).

Кончик нанопроволоки, свободно свисающей вниз, учёные покрыли содержащим водород полистиролом. Поскольку амплитуда её колебаний под действием магнитных сил невелика, для регистрации движения кантилевера пришлось соорудить оптический интерферометр. Используя поляризованное излучение, авторы получили схему с очень высокой восприимчивостью и минимальным нагревом проволоки.

В эксперименте нанопроволоку подводили к микроразмерному металлическому проводу с током, который управлял созданием радиочастотного магнитного поля и градиента поля. Как показали измерения, новый кантилевер выгодно отличается от испытанных ранее вариантов: его механическая добротность Q не слишком сильно падает при сближении с поверхностью. Вероятно, эффект уменьшения Q, называемый неконтактным трением, становится менее значимым из-за того, что кончик проволоки имеет сверхмалый диаметр; свою роль также могла сыграть высокая резонансная частота кантилевера, равная 780 кГц.

При тестировании микроскоп, оснащённый кантилевером из кремниевой нанопроволоки, уверенно регистрировал сигнал со среднеквадратичным значением в 2,4 аттоньютона. Эта величина на несколько порядков уступает амплитуде сил, измеряемых обычным атомно-силовым микроскопом.

Статья, в которой описан новый вариант МРСМ, опубликована в журнале Physical Review B.

Источник(и):

1. Американское физическое общество

2. compulenta.ru