(PhysOrg.com) -- Il microscopio a forza atomica (AFM) è uno strumento importante per la metrologia di superficie su scala nanometrica. I tipici AFM mappano le interazioni locali punta-superficie scansionando una sonda a sbalzo flessibile su una superficie. Si basano su ingombranti strumenti di rilevamento ottico per misurare il movimento della sonda, che limita la sensibilità, stabilità, e precisione del microscopio, e preclude l'uso di sonde molto più piccole della lunghezza d'onda della luce.

Come riportato in Nano lettere , I ricercatori del CNST hanno fabbricato un nuovo sensore integrato che combina una sonda cantilever nanomeccanica con un interferometro nanofotonico ad alta sensibilità su un singolo chip di silicio. La sostituzione dell'ingombrante sistema di rilevamento laser ha permesso loro di costruire cantilever di ordini di grandezza inferiori a quelli utilizzati negli AFM convenzionali.

Poiché ciascuna di queste strutture più piccole ha una massa effettiva inferiore a un picogrammo, la larghezza di banda di rilevamento è notevolmente aumentata, riducendo il tempo di risposta del sistema a poche centinaia di nanosecondi.

Mentre la rigidità della sonda è stata mantenuta paragonabile ai microcantilever convenzionali al fine di mantenere un elevato guadagno meccanico (quanto si muove la punta quando rileva un cambiamento di forza), la dimensione della sonda è stata ridotta a soli 25 µm di lunghezza, 260 nm di spessore, e solo 65 nm di larghezza.

La lettura si basa su "optomeccanica della cavità", con la sonda fabbricata adiacente a una cavità ottica del microdisco a una distanza inferiore a 100 nm. A causa di questa stretta separazione, la circolazione della luce all'interno della cavità è fortemente influenzata dal movimento della punta della sonda.

La cavità ha un elevato fattore di qualità ottica (Q), il che significa che la luce fa decine di migliaia di viaggi di andata e ritorno all'interno della cavità prima di fuoriuscire da essa, accumulando continuamente informazioni sulla posizione della sonda.

La combinazione di una piccola separazione sonda-cavità e un elevato Q conferisce al dispositivo una sensibilità al movimento della sonda a meno di 1 fm/√Hz, mentre la cavità è in grado di rilevare i cambiamenti nella posizione della sonda con un'elevata larghezza di banda.

L'intero dispositivo è nanofabbricato come un singolo, unità monolitica su wafer di silicio. È quindi compatto (scala di chip), autoallineato, e stabile.

Le guide d'onda in fibra ottica accoppiano la luce all'interno e all'esterno del sensore, in modo da poter essere facilmente interfacciato con sorgenti ottiche e rilevatori standard.

Finalmente, attraverso semplici modifiche alla geometria della sonda, la meccanica della punta della sonda può essere molto variata, consentendo le diverse combinazioni di guadagno meccanico e larghezza di banda necessarie per una varietà di applicazioni AFM.