IBM совершила рывок в области нанометровой микроскопии

Это достижение является важнейшим шагом на пути к созданию микроскопа, позволяющего получать трехмерные изображения с атомным разрешением. Появление подобного прибора имело бы огромное значение для изучения разнообразных объектов - от белков и лекарственных средств до интегральных микросхем и промышленных катализаторов, - понимание функционирования которых требует детального знания атомной структуры. Знание точного местоположения конкретных атомов в структурах нанометрового масштаба, например, позволило бы проектировщикам глубже понять принципы их изготовления и функционирования. Возможность напрямую получать детальные изображения атомной структуры белков была бы полезна при разработке новых веществ – например, лекарств.

Основной элемент MRFM-микроскопа - миниатюрная консоль, крошечный кремниевый кронштейн в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Кронштейн колеблется с частотой около 5000 колебаний в секунду, а к его концу прикреплен крошечный, но сильный магнит.

Одиночные ("неспаренные") электроны и многие атомные ядра ведут себя подобно крошечным стержневым магнитам. Этот магнетизм связан с фундаментальным свойством электронов и ядер, которое называется "спином". Так же, как притягиваются и отталкиваются два стержневых магнита, магнит на консоли магниторезонансного силового микроскопа притягивается к спинам частиц образца или отталкивается от них. Под воздействием высокочастотного магнитного поля, настроенного в резонанс с частотой собственной прецессии исследуемого спина, этот спин при колебаниях консоли датчика меняет свою ориентацию на противоположную и обратно. Хотя сила магнитного взаимодействия между магнитом датчика и спином чрезвычайно мала (порядка 10-18 Н), консоль датчика настолько чувствительна, что переворот спина вызывает заметное изменение частоты ее собственных колебаний.

В то время как медицинские магниторезонансные установки способны регистрировать группы из не менее чем триллиона спинов протонов, исследователям IBM удалось уловить значительно более слабый сигнал от единичного электронного спина. Ученые также продемонстрировали пример простейшей (одномерной) визуализации структуры с разрешением 25 нанометров - примерно в 40 раз лучше, чем у лучших существующих магниторезонансных микроскопов традиционной конструкции.

В ходе будущих работ Ругар планирует улучшить чувствительность, разрешение и быстродействие метода MRFM, чтобы получить возможность регистрировать отдельные протоны и ядра, например, ядра изотопа углерода-13, что может быть полезно для исследования структур молекул (магнитный сигнал электрона приблизительно в 600 раз больше, чем сигнал единичного протона).

Особенно перспективным может оказаться применение метода MRFM для исследования белковых структур. Биологическая активность больших белковых молекул определяется их чрезвычайно сложной пространственной конфигурацией. Из-за того, что определить подобную структуру напрямую до сих пор было невозможно, ученым приходится использовать косвенные методы, такие, как рентгеноструктурный анализ кристаллических белков или компьютерное моделирование. Метод MRFM может также найти применение в датчиках для считывания квантовой информации в будущих квантовых компьютерах на основе спинов.

"На протяжении всей истории лучшее понимание структуры материи приводило к новым важным открытиям и изобретениям, - говорит Дэниэл Ругар (Daniel Rugar), руководитель группы нанотехнологических исследований в научном центре IBM в Альмадене, г. Сан-Хосе, штат Калифорния. – Полученные нами новые результаты в конечном счете приведут к важным достижениям в нанотехнологии и биологии".

Профессор Ругар возглавляет группу ученых, которая уже более 10 лет ведет разработку методики магниторезонансной визуализации нанометровых объектов, получившей название магниторезонансной силовой микроскопии (magnetic resonance force microscopy, MRFM). Его группе удалось повысить чувствительность магниторезонансных методов примерно в 10 миллионов раз по сравнению с медицинскими магниторезонансными установками, применяемыми для исследования внутренних органов человека. Такое повышение чувствительности позволяет распространить область применимости магниторезонансной визуализации на нанометровые масштабы (нанометр - одна миллиардная доля метра, расстояние, соответствующее длине цепочки из 5-10 атомов).

Специалисты IBM Research уже внесли значительный вклад в разработку микроскопов для визуализации и изучения объектов нанометровых масштабов. В 1986 году Герд Бинниг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе были удостоены Нобелевской премии за изобретение туннельного сканирующего микроскопа, позволяющего получать изображения отдельных атомов на поверхности проводника. Впоследствии Бинниг изобрел атомно-силовой микроскоп, позволяющий исследовать структуру поверхности диэлектриков, отслеживая силу притяжения между поверхностью и консолью датчика. Затем на основе атомно-силового микроскопа были созданы приборы для визуализации с нанометровым разрешением различных свойств поверхности - магнитных, диссипативных, электростатических. Метод MRFM, сочетая принципы атомно-силовой микроскопии и магниторезонансной визуализации, позволяет исследовать с нанометровым разрешением структуру образца на глубине до 100 нанометров от поверхности.

Статья исследователей IBM Дэниэла Ругара, Джона Мамина, Раффи Будакяна и Бенджамина Чуи, описывающая обнаружение магнитного поля единичного электрона, опубликована в номере журнала Nature за 15 июля. Работа частично финансировалась управлением перспективных оборонных исследований армии США (DARPA).