生物帮1980年代初期扫描探针显微镜的发展带来了成像方面的突破，为纳米世界打开了一扇窗户。关键思想是在基板上扫描极其尖锐的尖端，并在每个位置记录尖端与表面之间相互作用的强度。顾名思义，在扫描力显微镜中，这种相互作用是尖端与表面结构之间的力。通常通过测量振动尖端在其扫描沉积在基板上的物体时的动态变化来确定该力。常见的比喻是用手指在桌子上轻敲，然后感测放置在表面上的物体。
苏黎世联邦理工学院物理系Christian Degen教授的高级科学家Alexander Eichler领导的一个团队将这种范例颠倒了。他们在《Physical Review Applied》一书中写道，他们报道了第一台扫描力显微镜，在该显微镜下，尖端静止，而上面带有样品的基底振动。
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通过“在手指下振动工作台”进行力显微镜检查似乎会使操作变得更加复杂。从某种意义上讲，确实如此。但是，掌握这种反向方法的复杂性会带来巨大的回报。新方法有望将力显微镜的灵敏度提高到其基本极限，这超出了常规“指尖敲击”方法进一步改进所能预期的范围。
灵敏度提高的关键是基板的选择。Eichler，Degen及其同事的实验中的“桌子”是由氮化硅制成的穿孔膜，厚度仅为41 nm。ETH物理学家的合作者是丹麦哥本哈根大学的Albert Schliesser组，他们将这些低质量的膜确立为具有极高品质因数的出色纳米机械谐振器。轻拍膜片后，它会振动数百万次或更多次，然后才能静止。鉴于这些精湛的机械性能，至少在原理上，振动工作台而不是手指变得有利。
实施新概念
将这一理论希望转化为实验能力是Degen和Schliesser小组之间正在进行的项目的目标，在苏黎世联邦理工学院理论物理研究所的Ramasubramanian Chitra博士和Oded Zilberberg教授的理论支持下。作为这一旅程的一个里程碑，实验团队现已证明基于膜的扫描力显微镜的概念可在实际设备中使用。
特别是，他们表明，既没有在样品上装膜，也没有将吸头带到几纳米的距离内，都不会损害膜的优异机械性能。但是，一旦尖端更靠近样品，膜的频率或振幅就会改变。为了能够测量这些变化，该膜具有一个尖端和样品相互作用的岛，以及一个与第一个机械耦合的第二个岛，可以从中部分反射激光束，从而提供灵敏的光学干涉仪。
量子是极限
通过使用此设置，该团队成功解决了金纳米颗粒和烟草花叶病毒。这些图像虽然尚未将功能推向新的领域，但可以作为新颖的显微镜概念的原理证明。但是目标是可以实现的。研究人员计划将他们的新方法与被称为磁共振力显微镜(MRFM)的技术相结合，以实现具有单个原子分辨率的磁共振成像，从而提供对病毒的独特见解。
原子尺度MRI将是成像的另一项突破，它将最终的空间分辨率与关于成像原子的高度特定的物理和化学信息相结合。为了实现该愿景，需要接近量子力学给出的基本极限的灵敏度。该团队有信心通过膜工程和测量方法的进一步发展，可以实现这种量子受限的力传感器。通过证明基于膜的扫描力显微镜技术是可行的，这个宏伟的目标现在已经迈出了一大步。
