AFM発明者たち、カヴリ賞ナノサイエンス部門を受賞

30年、9,000回以上の引用を経て、原子間力顕微鏡（AFM）の発明者たちがカヴリ賞ナノサイエンス部門を受賞しました。

カヴリ賞はGerd Binnig、Christoph Gerber、Calvin Quateの3氏で分かち合われます。BinnigとGerberは以前IBMリサーチ・チューリッヒに在籍、Quate氏はスタンフォード大学。休職中にBinnigがスタンフォード、GerberがIBMリサーチ・サンノゼ（現アルマデン）におり、緊密な協働を育みました。

3氏は「原子間力顕微鏡の発明と実現、測定技術とナノ彫刻におけるブレイクスルーで、ナノサイエンスと技術に変革的インパクトを与え続けている」として表彰されました。

AFMは1986年3月3日付Physical Review Lettersで「原子間力顕微鏡」の簡潔なタイトルで初めて記述されました。このデバイスは走査トンネル顕微鏡（STM）の原理とスタイラスプロフィロメーターを組み合わせ、原子分解能イメージングを可能にしました。

STMを故Heinrich Rohrerと共同発明したBinnig氏は、1986年ノーベル物理学賞をその業績で受賞。2004年IEEE Spectrum Magazineインタビューで、AFMの着想はソファに横たわっていたときの潜在意識のひらめきだったと振り返っています。

スタンフォード在籍中、Binnig氏はCalvin Quate氏の専門知識と、STMで以前協働していたIBM同僚のChristoph Gerber氏を招き、AFMを概念から現実へと導きました。

発明30周年を記念したPhysics World最近のインタビューで、Gerber氏は発明の進化を振り返ります：

「Gerdが、トンネル電流ではなくチップと試料の相互作用力を測定すればよいのではと提案し、カンチレバーでそれが可能だと。概算計算で、原子分解能には10^–10 N、いや10^–11 Nレベルの力検出が必要だと気づきました！」

この微小力検出を支えたのは金とダイヤモンドという二つの鍵材料でした。Gerber氏説明：

「デバイスの心臓部は数ミクロン厚の極薄金箔で、これがカンチレバーでした。レコードプレーヤーの針から砕いたダイヤモンド片をカンチレバーに取り付け、チップとしました。」

原子分解能は即座には達成されませんでしたが、十分近づいて論文投稿。1年以内にバッチ製造シリコンカンチレバーを開発し、グラファイト表面で初の原子分解能画像を獲得しました。

このマイルストーン後、3氏はカンチレバー設計と応用で特にAFM技術を新方向へ推進しました。

Binnig氏はナノ構造化向け大規模並列プローブを先駆け、不揮発性メモリ開発を目指し、ナノパターニング技術の革新波を誘発。

Gerber氏はカンチレバーアレイを用いた「人工鼻」を前進させ、化学・生化学・医療診断でブレイクスルー。スイス・バーゼル大学のグループで研究継続中。

Quate氏はマイクロメカニカルカンチレバーをセンシング応用（創薬、食品診断、材料評価、爆発物検知）に注力。

過去30年間でAFM装置は劇的に進化し、感度と分解能を向上させながら多様な分野へ展開しました。

2008年、IBMリサーチ・アルマデンのMarkus Ternes氏らがAFMで単一原子を表面上でスライドさせ、関与する力を直接測定。

翌年、IBMリサーチ・チューリッヒのGerhard Meyer氏とLeo Gross氏率いるチームが、AFMチップを一酸化炭素単分子で機能化。この1ナノメートル未満の二原子チップが、個々の分子の内部化学構造—化学結合をリアルタイムで解像する画像を生成。

Gross氏は「我々の技術の主な差別化は単一分子を測定すること。もう一つの利点は、チップで個々の分子の化学反応を開始し、生成物を原子スケールで追跡できることです。」と述べています。

Meyer、Gross、Bruno Schuler氏が最近、AFM30周年記念論文をPhysics Worldに発表：

「高分解能AFMは、個々の分子レベルでの物理的、化学的、生物学的プロセスの理解と制御の機会を提供します。力感度、時間・空間分解能の継続的改善がナノサイエンスのフロンティアをさらに押し広げます。あと30年でAFMが、リチャード・ファインマンが1959年講演『底には大いなる余地がある』で描いた原子アセンブラへ進化するかもしれません—任意の3D原子精密デバイス、メタマテリアル、分子を構築できるツール。」

「いずれにせよ、AFMが基礎物理学から化学、生命科学への発見を推進し続け、ナノメートルスケールそしてそれ以上で自然の最も謎めいたメカニズムを解き明かすことは疑いありません。」

これはIBM科学者への2回目のカヴリ賞授与。Don Eigler氏が2010年、原子操作開発と精密制御された原子・分子配列による量子現象解明でカヴリ賞ナノサイエンス部門受賞。

カヴリ賞は、存在の最大・最小・最複雑スケールでの理解を先駆けた科学者を表彰します。天文学、ナノサイエンス、神経科学で2年ごとに授与、各賞は100万ドル（米ドル）。受賞者は、世界で最も権威ある6つの科学学会・アカデミー推薦メンバーで構成される委員会が選出。