High Speed Contact-Resonance Tracking using Brownian motion

物質の表面の極めて微細な詳細が、単に見えるだけでなく、感じられる世界を想像してみてください。科学者たちは長年、原子間力顕微鏡と呼ばれる道具を使って、まさにこれを行ってきました。これは、盲人が点字を読む時のように、非常に細い針のようなチップを表面上で引きずる仕組みですが、その感度は、単一の分子の硬さを検知できるほど微細です。この道具をさらに強力なものにするため、研究者たちはしばしば、チップが最も振動しやすくなる特定の律動（リズム）、すなわち共振周波数でチップを叩きます。これを共鳴と呼びます。チップがどのように振動するかを「聴く」ことで、彼らは試料の異なる部分がいかに硬いか、あるいは柔らかいか、あるいは電気にどのように反応するかをマッピングすることができます。しかし、そこには落とし穴があります。通常、チップを振動させる方法は、顕微鏡の土台全体を揺らすものです。これは、混雑した部屋の中でささやき声を聴こうとするようなもので、科学者が発見しようとしているまさにその詳細を隠してしまうほどの背景ノビーズ（ノイズ）を生み出します。

オックスフォード・インストゥルメンツの一部であるアサイラム・リサーチのチームは、このノイズを切り抜ける新しい方法を開発しました。彼らはこの手法をiDARTと呼んでいます。機械全体を揺らす代わりに、彼らは熱によって空中のチップが生じさせる自然でランダムな小刻みな動き、すなわちブラウン運動を利用して、最適なリズムと追跡周波数を特定します。一度リズムが見つかれば、制御された能動的な駆動を用いて、高速なピクセル単位のイメージングに必要な信号強度を提供します。このアプローチにより、従来の、力任せな干渉を行う方法を用いることなく、材料の機械的特性の詳細なマップを作成することができます。その結果、より鮮明で正確なナノスケールの世界が見え、測定自体によるノイズによって以前は覆い隠されていた特徴が明らかになります。

研究者たちは、電気を印加すると形が変わることで知られるPZTと呼ばれる材料のサンプルを用いて、この新手法をテストしました。彼らは、強い信号から信号が全くない状態まで、さまざまなレベルの電圧をサンプルに印加しました。強い電圧を用いたとき、画像には明確なパターンが現れ、明るい領域と暗い領域は電気的な分極の異なる方向を表していました。電圧を下げるにつれて、これらのパターンの明るさは衰え、画像は粒状になり、電圧が完全に除去されると、最終的にはランダムな静止画（スタティック）のように見えるようになりました。これはまさに予想通りの結果です。電気的な押しがなければ、チップは協調的な動きを止め、信号対雑音比（S/N比）が低下するため、位相コントラストが失われるのです。しかし、最も驚くべき発見は、振動の周波数によって決定される材料の硬さのマップが、プロセス全体を通じて空間的に再現可能であったことです。電気的な駆動が消え、チップが熱によるランダムな動きのみによって動いているときでさえ、科学者たちは全く同じ硬さのパターンを回収することができました。これは、硬さの情報が電気的な駆動によるアーティファクト（偽の像）ではなく、チップの自然な熱運動から直接読み取ることができる、材料の真の特性であることを証明しました。

この結果が電気信号に特有のものではないことを確認するため、チームは電気の代わりに光を用いた実験を繰り返しました。彼らはレーザーを使用してチップの底部を加熱してチップを振動させ、その後、そのレーザー出力を徐々に減少させました。電気のテストと同様に、レーザー出力が低下するにつれて、サンプルの構造の鮮明で鋭い画像は衰え、レーザーがゼロになるとランダムなノイズだけが残りました。しかし、ここでもやはり、接触共振周波数のマップは一定のままでした。硬いプラスチックに埋め込まれた炭素繊維からなるサンプルの円形の構造は、レーザーを完全にオフにした状態でも、明確かつ測定可能なままでした。これにより、この技術が、チップを駆動するためのいかなる外部的な力も必要とせず、環境固有のエネルギーを利用して、意味のある機械的データを抽出できることが確認されました。

この新手法の威力は、カンチレバー（この顕微鏡で使用される極小の梁）の三角形の部分をスキャンすることでさらに実証されました。チップが梁の上を移動するにつれて、梁が幅広く厚くなるため、硬さが劇的に変化します。わずか数十マイクロメートルの間に、振動周波数は約75キロヘルツから325キロヘルツへと、4倍以上の増加を見せました。従来の方法では、信号を失うことなくこれほど広い範囲の周波数を追跡することに苦労することが多いのですが、この新しいシステムは、変化を滑らかかつ連続的に追跡しました。得られたマップは、梁の物理的な形状と一致する滑らかな硬さの勾配を示しており、このシステムが機械的特性の大きな変化に対しても混乱することなく対処できることを証明しました。

チップの実際の動きを測定する高度に敏感な検出器と、巧妙な追跡システムを組み合わせることで、研究者たちは、前例のない明晰さで機械的世界を見ることは可能であるということを示しました。鍵となったのは、チップの自然でランダムな揺れの中に、正しい振動周波数を特定するために必要なすべての情報が含まれていると気づいたことでした。一度その周波数が見つかれば、制御された駆動を用いて高品質な画像を作成できます。これは、科学者が強力な電気的または機械的な力によって材料を変質させるリスクを負うことなく、繊細な材料を研究できることを意味します。この手法は、電子材料の微細なドメインから生物学的サンプルの複雑な構造に至るまで、表面の真の、乱されていない性質を観察するための扉を開くものであり、その測定プロセス自体を自然界そのもののように穏やかなものに保ちながら行うことができます。