Thiết bị mới có khả năng đo đạc các chuyển động nhanh ở cấp độ nano

Một thiết bị có kích thước nano mới vừa được phát triển tại viện JILA (cơ quan hợp tác giữa Viện NIST và trường Đại học Colorado ở Boulder) – một chùm kim loại màu vàng nhỏ có rung động 40 triệu lần một giây, số lần rung động này được đo đạc bởi các electron “nhảy cóc”– có thể tăng tốc độ kính hiển vi điện tử hiệu ứng đường hầm (STM) lên 500 lần, mở đường cho các nhà khoa học có thể quan sát các nguyên tử rung động với độ nét cao theo hệ thống thời gian thực.

Thiết bị mới này có khả năng đo đạc sự dao động của chùm kim loại, hoặc, chính xác hơn, là không gian giữa nó và một điểm dẫn điện có chiều rộng chỉ cỡ một đơn nguyên tử, dựa trên tốc độ của electron “đường hầm” đi qua kẻ hở đó. Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên sử dụng “sự tiếp xúc điểm nguyên tử”, một bộ phận chủ yếu của máy STM, để phát hiện và lưu giữ các dao động của thiết bị cơ học có kích thước nano tại tần số “cộng hưởng” của nó, nơi mà chiếc máy rung động như một chiếc nĩa đang rung.

Chiếc máy mới của viện JILA có khả năng đo đạc các chuyển động ở cấp độ nano. Sự giả lập chuyển động chậm của máy dò chuyển động có kích thước nano của viện JILA cho thấy sự dao động của chùm kim loại mềm, chỉ dày 100 nanomet, khi nó bị tác dụng bởi một dòng điện tại dấu chấm (màu đen). Màu đỏ cho biết sự thay đổi vị trí lớn nhất kể từ trạng thái nghỉ. (Ảnh: K. Lehnert/JILA)

Mặc dù kỹ thuật mới của viện JILA không cần thiết phải chính xác như các phương pháp phức tạp hơn và lạnh hơn dùng để đo chuyển động của những thiết bị cực nhỏ, nhưng nó lại tích hợp được một số các thuộc tích đổi mới với nhau.

Các thuộc tính này bao gồm khả năng giảm thiểu các “tiếng ồn” điện tử ngẫu nhiên không mong muốn cũng như khả năng đo đạc được độ rung của chùm kim loại do tác dụng ngược hay sự giật (tương tư như sự giật súng khi bắn) gây ra. Độ nhạy có thể thực hiện được bởi vì sự tiếp xúc điểm nguyên tử hoạt động như một máy khuếch đại các yếu tố không thể nhận thấy khác này, và chùm kim loại màu vàng thì đủ nhỏ và nhẹ – chỉ dày 100 nanomet, dài 5,6 micromet và rộng 220 nanomet – để có thể hưởng ứng lại các đơn electron.

Phương pháp mới này bao gồm việc mang điểm sắc nhọn này vào trong chùm kim loại màu vàng có kích thước một nanomet. Một dòng điện được tạo ra, chạy qua điểm ngang qua kẻ hở, cho đến khi sự gia tăng điện trở cho biết các electron đang “đi qua đường hầm” ngang qua kẻ hở (một hiện tượng chỉ quan sát được ở kích thước nguyên tử). Kích cỡ của kẻ hở sau đó được quan sát dựa trên những rung động trong dòng điện.

Chuyển động sóng của chùm kim loại được đo đạc chính xác hơn từ 10 đến 100 lần so với kết quả của một máy STM điển hình. Đó là bởi vì các dao động được đo đạc bằng cách sử dụng điện tử học viba, một cách nhanh hơn rất nhiều so với kỹ thuật tần số audio được sử dụng đặc trưng cho các máy STM, vì vậy có thể đạt được độ chính xác cao hơn. Kỹ thuật đo đạc viba có thể áp dụng cho các máy STM.

Thanh Vân