当 Dan Rugar 第一次听说一种能够穿透分子表面并分辨单个原子的新型显微镜的设想时，他表示怀疑。科学家们一直梦想着拥有这样的设备来帮助他们解析复杂的蛋白质结构、发现半导体中的缺陷，并解决成千上万个其他谜团。但到目前为止，还没有人提出一种方法来制造足够强大的显微镜，能够生成显示每个原子精确位置的三维图像——而且不破坏或改变材料的结构。
Rugar 对这个问题再了解不过了。作为 IBM 的物理学家，他曾参与开发原子力显微镜 (AFM)，这种显微镜使用微小的机械悬臂来感知样品表面上的单个原子——或者更准确地说，感知原子电子产生的静电排斥力。事实上，Rugar 在 1991 年那天听到的提案听起来异常熟悉。
在这种新显微镜中，与 AFM 一样，悬臂会像微型唱针一样在样品上移动。但与仅响应表面原子不同的是，这种悬臂将捕捉到表面下方共振原子发出的远弱得多的磁力。这种技术被称为磁共振成像，或 MRI；医院已经在使用一种粗糙得多的形式来成像内部器官。
在 Rugar 自己进行了一些计算后，他的怀疑烟消云散了。他意识到，制造一种磁共振力显微镜 (MRFM) 确实是可能的——这种设备将结合原子力显微镜的原子级分辨率和 MRI 扫描仪的三维成像能力。Rugar 和他在加利福尼亚州圣何塞 IBM 阿尔马登研究中心的同事们立即开始着手实现这个想法。
今天，他们的实验室里有一个原型——一个非常早期的原型。它可以测量 AFM 所测量力之一百万分之一的力。这样做，它就能看到样品表面之下，并检测到比 MRI 扫描仪能看到的更小的特征。但它还看不到 Rugar 所期望的那么小的东西。“我们还没有达到原子级别，”他说。“这是我们的目标。而且如果你去理解它的物理原理，看起来似乎是可行的。”
MRFM 的灵感来源，以及四年前坐在 Rugar 办公室里的那位先生，是 John Sidles，他是华盛顿大学西雅图分校骨科的医学物理学家。Sidles 寻求的回报是理解像骨癌这样棘手疾病背后的分子机制。但如今，在科学和工程领域，对看到原子的渴望非常普遍。生物学家希望深入研究蛋白质的复杂折叠结构，这些结构对其在我们体内无数的功能至关重要。半导体制造商希望有一种方法来精确定位不仅是原子级缺陷，还能精确定位用于掺杂硅芯片以获得所需电学性质的硼或磷原子。一台三维原子成像显微镜的潜在应用列表很长。
出于显而易见的原因，传统的显微镜无法胜任这些工作。光学显微镜可以看到细菌，电子显微镜可以看到病毒，但两者都看不到原子；氢原子核的直径只有一埃，即十分之一的十亿分之一米。而各种扫描探针显微镜（AFM 是其中之一）无法进行三维成像；它们只能看到表面原子。此外，它们无法区分不同种类的原子，而要弄清楚分子的结构就必须这样做。
当然，研究人员可以通过用 X 射线轰击材料并观察散射的射线来确定一些材料（如蛋白质）的结构，这种技术被称为 X 射线晶体学。但这种技术只适用于晶体，而并非所有蛋白质都能结晶。另一种称为核磁共振波谱的技术，只能看到小分子的结构。Sidles 说：“目前还没有真正通用的技术可以在埃尺度上研究分子结构。”
Sidles 认为磁共振成像的原理是穿透表面原子并看到其内部的关键。他说：“我发表了几篇理论文章，然后四处奔波寻找能够进行实验的实验者。”也许是由于他在 AFM 方面的经验，Rugar 是唯一一个接受 Sidles 这一想法的人。他招募了他的同事 Nino Yannoni，一位磁共振波谱学专家，以及物理学家 Othmar Züger 来开发原型。
Sidles 的方案始于 MRI 的基本原理，该原理利用质子和中子的磁矩——也就是说，它们表现得像微小的条形磁铁的倾向。当质子和中子成对出现时，它们各自倾向于抵消对方的磁矩。但当一个原子核具有奇数个质子或中子时，剩余的粒子会赋予原子核整体的磁矩。例如，由于氢的原子核只有一个质子，放置在强磁场中的氢原子会因为它们的磁矩而倾向于与磁场对齐。然后，如果你用一定频率的无线电波轰击原子，旋转的氢原子核就会发生共振：它们会翻倒，并开始像微小的陀螺一样摆动。“如果你把手指向上指，一开始原子核就是那样排列的，”Rugar 解释道。“然后如果你把手指倾斜，比如说 30 度，然后在一个小圆圈里旋转它，保持在 30 度，但改变它指向的方向，这就是摆动运动。”
当无线电波关闭时，原子核会恢复到直立状态，在此过程中，它们会发出微弱但可检测到的无线电信号。通过测量该信号的强度，科学家们可以推断出样品中氢的浓度。如果样品恰好是躺在 MRI 扫描仪巨大的磁线圈中的医院病人，那么遍布全身的氢浓度变化产生的信号就会形成内部器官的图像。
然而，Sidles 想要看到的是原子，而不是器官，为此他提出了利用医学扫描仪未能利用的 MRI 物理学的一小部分。导致样品中的氢原子核共振的无线电波频率不是固定的；它取决于浴在样品上的磁场的强度。在医用 MRI 扫描仪中，这并不重要。强大的磁线圈会在病人的整个身体中产生一个均匀的场，当无线电波的频率调整到适当的水平时，全身的氢原子核都会开始共振。然而，Sidles 的原子成像 MRFM 的想法是使用一个在空间上不均匀的磁场。这样一来，只有那些恰好位于磁场和无线电波和谐共振的样品部分的少数原子核才会发生共振。原则上，你可以检测到来自单个原子核的信号。
在 Rugar 此后开发的方案中，磁场来自原子成像显微镜上硅悬臂尖端的一个微小磁铁。磁场越远离尖端，磁场就越弱。在任何给定的无线电波频率下，只有样品中特定距离尖端一定厚度的切片中的原子核才会发生共振。
那么，诀窍就在于让原子核发出显微镜可以检测到的信号。MRI 扫描仪通过开关磁场并让原子核恢复到直立位置来实现这一点，而 Rugar 则想出了一个更简单的方法。他发现，通过微妙地改变无线电波的频率，可以使共振切片中的原子核进行翻转，将其磁矩反转 180 度。当这种情况发生时，原子就会从对悬臂尖端产生吸引力转变为产生排斥力，然后再反过来。“就像拿着两个条形磁铁，”Rugar 说。“如果你把它们放在一起，它们可能会互相吸引，但如果你把它们翻过来，它们就会排斥。如果你再翻回来，它们又会吸引。”
当原子核不断地来回翻转时，悬臂就会振动。为了精确测量这种运动，Rugar 的团队使用一束激光，通过一根光纤传播，从悬臂的背面反射回来，然后沿着光纤返回。通过观察反射的激光量，研究人员可以检测到小于一埃的移动。当悬臂在样品上水平扫描时，它的振动会揭示隐藏在表面下方共振氢原子核的存在。当悬臂向样品靠近和远离时，样品的不同切片会进入共振状态。然后，计算机程序会将所有切片加在一起，构建出样品中所有氢原子核的复合三维图像。
最后一步是定位其他元素的原子。原则上，这很简单。由于每种元素都在不同的无线电频率下共振，Rugar 的想法是简单地在不同的频率下重复这个过程。通过将所有这些测量结果组合起来，研究人员将能够拼凑出样品的三个维度图像。Rugar 估计，该显微镜能够穿透表面下约一毫米的深度。
然而，这一切都属于未来。到目前为止，Rugar 和他的同事们只开发了一个展示仪器基本原理的粗糙原型。它由一个悬臂、一个磁铁和一个射频线圈组成，密封在一个真空室中，该真空室又浸入液氦浴中，以将仪器保持在接近绝对零的温度。“事实上，所有高于绝对零温度的东西都在振动，”Rugar 解释道。“即使没有磁共振信号，悬臂也会持续以一种嘈杂的方式振动。降低温度可以减小噪声，这样我们就能看到更小的信号。”
研究人员已经测试了他们的设备，其中包括一种微量的硝酸铵——选择这种材料是因为氢原子的丰富性使其易于处理。目前，显微镜还无法检测到单个原子的共振；它只能同时检测到大约一万亿个原子施加在悬臂上的力。使显微镜能够检测到单个原子相当于将其分辨率提高 10,000 倍，从一百万分之一或两百万分之一米降低到一埃。目前，MRFM 的分辨率甚至不及最好的光学显微镜。
一个问题是，Rugar 和他的同事们还没有成功地制造出他们设计中的一个关键部件。附着在悬臂尖端上的微小磁铁仍在开发中。相反，原型 MRFM 使用一种笨拙的安排，即一个单独的磁铁设置磁场，而样品本身附着在悬臂上。Rugar 说，一旦磁铁完成并安装在悬臂尖端，并且样品安装在一个固定的载玻片上，分辨率应该会提高。
此外，Rugar 和他的同事们正在开发更薄、更柔韧的悬臂，它们可以更轻松地弯曲和振动，以响应微小的原子力。仪器现在的悬臂厚度仅为 900 埃，但 Rugar 的实验室已经制造出一个厚度为 200 埃的悬臂。Rugar 说，如此纤薄的悬臂非常柔软，如果它是一个弹簧，一枚回形针就会使其偏转一公里。即便如此，他现在正计划制造一个厚度减半的。
最后，他和他的同事们计划通过找到一种方法将磁性尖端置于离样品更近的位置来提高分辨率。磁场的强度在尖端附近下降得最快，因此通过将尖端尽可能靠近样品，研究人员将能够产生共振并在样品尽可能薄的切片中检测到原子核。研究人员希望最终将一个 300 埃宽的磁性尖端置于离样品 50 埃的范围内。
总之，在能够检测到单个隐藏的原子之前，还有许多事情需要完成。Rugar 并不是唯一一个试图制造 MRFM 的人；Sidles，这个想法的最初提出者，现在也加入了他，形成了一种友好的竞争。Sidles 沉思道：“进行 MRFM 实验有点像在浓雾中沿着崎岖未知的海岸线航行。如果你是第一艘在这些水域航行的船，你常常会因为搁浅而了解到一块礁石。”Rugar 以更少比喻、更多乐观的态度发出了同样的警告。“我们正处于开发这项技术非常早期的阶段，”他说，“而且我们可能无法实现我们的最终目标。然而，似乎没有任何物理定律表明我们不能做到这一点。”
