По-новому применив существующие технологии, ученые из Корнеллского и Бостонского университетов смогли существенно – по меньшей мере, в 100 раз – увеличить скорость работы растрового (сканирующего) туннельного микроскопа (ТМ). Кроме того, прибегнув к методу, используемому для измерений в наноэлектронике, ученые смогли расширить возможности TM. В частности, получили возможность измерять температуру в точках, сопоставимых по размеру с отдельным атомом.

Как известно, TM представляет собой систему, стоящую из образца и иглы, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая туннельный ток, величина которого зависит от расстояния между поверхностью образца и иглой. В процессе сканирования игла движется над поверхностью образца. Изменения тока позволяют реконструировать карту поверхности на атомном уровне. Другими словами, устройство способно показывать отдельные атомы, находящиеся на поверхности образцов.

К сожалению, процесс сканирования очень протяжен во времени. Причем, ограничивающим фактором является не сигнал, поступающий от иглы. Теоретически, TM может собирать данные с той скоростью, с которой туннелируют электроны – порядка одного миллиарда циклов в секунду (1 ГГц). Но в реальном TM скорость снижается из-за паразитной емкости кабелей считывающей системы – и не превышает тысячи отсчетов в секунду (1 кГц).

Ученые смогли преодолеть ограничение, подав в иглу радиочастотный сигнал от внешнего источника. Им удалось определить сопротивление туннельного перехода, соответственно, и расстояние между иглой и образцом, основываясь на характеристиках волны, отразившейся обратно к источнику. Эта техника называется измерением коэффициента отражения. Она позволяет использовать стандартные кабели, как проводники для высокочастотных волн, на которые не влияет емкость кабелей. По оценке ученых, выигрыш в скорости может составить от 100 до 1000 раз. Это означает, что на смену статичным изображениям атомов может прийти что-то больше похожее на видео.

Новая методика также дает возможность измерить температуру отдельного атома и обнаружить изменение положения объектов на чрезвычайно малое расстояние, в 30000 раз меньшее, чем размер атома.