C'est l'un des instruments de mesure les plus précis disponibles aujourd'hui :le microscope haute performance de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien acquiert des images d'atomes individuels en déplaçant la pointe d'une aiguille fine sur une surface. La position de cette pointe doit être contrôlée avec une précision de l'ordre du picomètre, c'est à dire., milliardièmes de millimètre. "C'est comme contrôler une aiguille avec la longueur de tout le diamètre de la Terre avec une précision d'un millimètre, " explique le professeur Michael Schmid de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien.

Tout type de vibration rend le microscope inutilisable, ainsi obtenir les meilleures performances d'un tel instrument est un sérieux défi technique. A la TU Vienne, ceci a été réalisé avec une configuration spéciale qui atténue les vibrations à un niveau très bas; même des vibrations à très basse fréquence, qui sont les plus difficiles à contrôler. L'ensemble de l'instrument de 1 tonne est suspendu à des cordons élastiques, et un système de contrôle électronique ajuste la suspension pour la maintenir à niveau. Ce système nouvellement développé est maintenant breveté.

Prendre des mesures au centre-ville de Vienne

"D'autres groupes de recherche utilisent des microscopes similaires dans des sous-sols séparés, ou dans des bâtiments spécialement conçus, " dit le Prof. Ulrike Diebold. Elle a reçu le prix Wittgenstein 2013, et une partie de son prix a été utilisée pour acheter ce microscope haute performance qui combine la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique. « Quand je mentionne lors de conférences que nous utilisons notre instrument dans un immeuble de grande hauteur au milieu de Vienne, juste au dessus du métro, les collègues sont stupéfaits."

« On s'est vite rendu compte qu'un amortissement classique des vibrations ne serait pas suffisant dans notre cas, " explique Michael Schmid. " Les solutions disponibles dans le commerce filtrent les vibrations à haute fréquence, mais il est difficile de se débarrasser des basses fréquences."

Michael Schmid a d'abord analysé les vibrations :le vent fait osciller le bâtiment à une fréquence de quelques Hertz, et le métro excite des vibrations chaque fois qu'il passe en dessous. Il a fallu un véritable travail de détective pour trouver, par exemple, l'origine d'une mystérieuse vibration de 20 Hertz qui était si forte qu'elle rendait les mesures impossibles, mais seulement à certains moments de la journée. "Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que cette vibration est causée par des compresseurs au sous-sol qui sont utilisés pour liquéfier l'hélium, " dit Michael Schmid.

Le problème de vibration a finalement été résolu en suspendant le microscope au plafond, avec tout son boîtier métallique. Il s'accroche à des sandows car ceux-ci ont des propriétés élastiques particulièrement bien adaptées pour amortir les vibrations à basse fréquence. Les cordes ont été entrelacées dans un arrangement spécial pour amortir simultanément les vibrations provenant de différentes directions. L'appareil flotte à environ deux millimètres au-dessus du sol, et la distance est surveillée avec des capteurs de position. Si la hauteur change, le système se réajuste automatiquement en tirant sur des cordons élastiques supplémentaires avec l'un des trois moteurs électriques séparés. "C'est important parce que le poids se déplace pendant les expériences, " explique Michael Schmid. " Nous utilisons de l'azote liquide pour refroidir nos échantillons. Lorsque l'azote s'évapore, une partie devient plus légère, mais la construction globale doit rester exactement horizontale."

Images parfaites

Avec cette suspension spéciale, il a été possible d'exploiter tout le potentiel du microscope haute performance, malgré la situation défavorable. "L'alternative aurait été de chercher un espace de laboratoire dans un autre bâtiment, mais cela aurait eu d'autres inconvénients, " dit Ulrike Diebold. " Ailleurs, nous n'aurions pas facilement accès à l'azote liquide et à l'hélium liquide. L'infrastructure est excellente ici dans le Freihaus de TU Wien au milieu de la ville. Seules les conditions de vibration sont tout sauf optimales."

De nombreuses mesures ont été effectuées avec l'amortissement spécial des vibrations et ont déjà donné lieu à plusieurs publications scientifiques. Maintenant, l'invention a été brevetée avec le soutien du soutien à la recherche et au transfert de TU Wien. "Bien sûr, nous espérons que d'autres institutions reprendront notre idée et amélioreront également leurs résultats aussi drastiquement que nous l'avons fait, " dit Michael Schmid.