È uno degli strumenti di misurazione più precisi oggi disponibili:il microscopio ad alte prestazioni dell'Istituto di fisica applicata della TU Wien acquisisce immagini di singoli atomi spostando la punta di un ago sottile su una superficie. La posizione di questa punta deve essere controllata con una precisione nell'intervallo dei picometri, cioè., miliardesimi di millimetro. "Questo è come controllare un ago con la lunghezza dell'intero diametro della Terra con una precisione di un millimetro, " spiega il prof. Michael Schmid dell'Istituto di fisica applicata alla TU Wien.

Qualsiasi tipo di vibrazione rende il microscopio inutilizzabile, quindi ottenere le migliori prestazioni da uno strumento del genere è una seria sfida tecnica. A TU Vienna, questo è stato ottenuto con un setup speciale che smorza le vibrazioni a un livello molto basso; anche vibrazioni con una frequenza molto bassa, quali sono le più difficili da controllare. L'intero strumento da 1 tonnellata è appeso a corde elastiche, e un sistema di controllo elettronico regola la sospensione per mantenerla livellata. Questo sistema di nuova concezione è stato ora brevettato.

Prendere le misurazioni nel centro di Vienna

"Altri gruppi di ricerca utilizzano microscopi simili in scantinati separati, o in edifici appositamente progettati, " afferma la prof.ssa Ulrike Diebold. Le è stato assegnato il Premio Wittgenstein 2013, e parte del suo premio in denaro è stato utilizzato per l'acquisto di questo microscopio ad alte prestazioni che combina la microscopia a effetto tunnel con la microscopia a forza atomica. "Quando dico alle conferenze che gestiamo il nostro strumento in un grattacielo nel centro di Vienna, direttamente sopra la metropolitana, i colleghi sono sbalorditi».

"Ci siamo subito resi conto che lo smorzamento delle vibrazioni convenzionale non sarebbe stato sufficiente nel nostro caso, " afferma Michael Schmid. "Le soluzioni disponibili in commercio filtrano le vibrazioni ad alta frequenza, ma è difficile sbarazzarsi delle basse frequenze."

Michael Schmid ha analizzato per primo le vibrazioni:il vento fa oscillare l'edificio con una frequenza di pochi Hertz, e la metropolitana eccita vibrazioni ogni volta che passa sotto. Era necessario un vero lavoro investigativo per trovare, Per esempio, l'origine di una misteriosa vibrazione di 20 Hertz così forte da rendere impossibili le misurazioni, ma solo in determinate ore del giorno. "Ci è voluto un po' per capire che questa vibrazione è causata dai compressori nel seminterrato che vengono utilizzati per liquefare l'elio, "dice Michael Schmid.

Il problema delle vibrazioni è stato finalmente risolto sospendendo il microscopio dal soffitto, insieme al suo intero alloggiamento in metallo. Si appende a corde elastiche poiché queste hanno proprietà elastiche particolarmente adatte per smorzare le vibrazioni a bassa frequenza. Le corde sono state intrecciate in una disposizione speciale per smorzare contemporaneamente le vibrazioni che provengono da direzioni diverse. Il dispositivo galleggia a circa due millimetri dal suolo, e la distanza viene monitorata con sensori di posizione. Se l'altezza cambia, il sistema si regola automaticamente tirando corde elastiche aggiuntive con uno dei tre motori elettrici separati. "Questo è importante perché il peso si sposta durante gli esperimenti, " spiega Michael Schmid. "Usiamo azoto liquido per raffreddare i nostri campioni. Quando l'azoto evapora, una parte diventa più leggera, ma la costruzione complessiva deve rimanere esattamente orizzontale."

Immagini perfette

Con questa speciale sospensione è stato possibile sfruttare tutte le potenzialità del microscopio ad alte prestazioni, nonostante la posizione sfavorevole. "L'alternativa sarebbe stata cercare uno spazio laboratorio in un edificio diverso, ma avrebbe avuto altri svantaggi, " dice Ulrike Diebold. " Altrove non avremmo facile accesso all'azoto liquido e all'elio liquido. L'infrastruttura è eccellente qui nel Freihaus di TU Wien nel centro della città. Solo le condizioni di vibrazione sono tutt'altro che ottimali."

Numerose misurazioni sono state effettuate con lo speciale smorzamento delle vibrazioni e hanno già portato a diverse pubblicazioni scientifiche. Ora l'invenzione è stata brevettata con il supporto del supporto alla ricerca e al trasferimento di TU Wien. "Naturalmente speriamo che altre istituzioni raccolgano la nostra idea e migliorino anche i loro risultati così drasticamente come abbiamo fatto noi, "dice Michael Schmid.