Sensor måler yoctonewton-kræfter hurtigt

(PhysOrg.com) -- Fysikere ved National Institute of Standards and Technology har brugt en lille krystal af ioner (elektrisk ladede atomer) til at detektere kræfter på skalaen af ​​yoctonewtons. Målinger af lette kræfter - en yoctonewton svarer til vægten af ​​et enkelt kobberatom på Jorden - kan være nyttige i kraftmikroskopi, nanoskala videnskab, og test af grundlæggende fysikteorier.

En newton er allerede en lille enhed:groft sagt kraften af ​​Jordens tyngdekraft på et lille æble. En yoctonewton er en septilliontedel af en newton (yocto betyder 23 nuller efter decimalen, eller 0,0000000000000000000000001).

Målinger af forsvindende små kræfter udføres typisk med bittesmå mekaniske oscillatorer, som vibrerer som guitarstrenge. Den nye NIST sensor, beskrevet i Natur nanoteknologi , * er endnu mere eksotisk - en flad krystal af omkring 60 berylliumioner fanget inde i et vakuumkammer af elektromagnetiske felter og afkølet til 500 milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt med en ultraviolet laser. Apparatet er udviklet over de sidste 15 år til eksperimenter relateret til ionplasma og kvanteberegning. I dette tilfælde, den blev brugt til at måle kræfter på yoctonewton-skala fra et påført elektrisk felt. I særdeleshed, eksperimentet viste, at det var muligt at måle omkring 390 yoctonewtons på kun et sekund af måletiden, en hurtig hastighed, der indikerer teknikkens høje følsomhed. Følsomhed er et aktiv for praktiske anvendelser.

Den tidligere kraftmålingsrekord med dette følsomhedsniveau blev opnået af en anden NIST-fysiker, der målte kræfter 1, 000 gange større, eller 500 zeptonewtons (0,000000000000000000005 newtons) på et sekund af måletiden ved hjælp af en mekanisk oscillator.** Tidligere NIST-forskning indikerede, at en enkelt fanget ion kunne mærke kræfter på yoctonewton-skalaer, men foretog ikke kalibrerede målinger. ***

Ionsensoren beskrevet i Natur nanoteknologi virker ved at undersøge, hvordan en påført kraft påvirker ionbevægelse, baseret på ændringer i laserlys reflekteret fra ionerne. Et lille oscillerende elektrisk felt påført krystallen får ionerne til at vugge frem og tilbage; som ionerne rocker, intensiteten af ​​det reflekterede laserlys vakler synkront med ionbevægelsen. En ændring i mængden af ​​reflekteret laserlys på grund af kraften kan detekteres, at give et mål for ionernes inducerede bevægelse ved hjælp af et princip svarende til det, der er på arbejde i en politibetjents radarpistol. Teknikken er meget følsom på grund af den lave masse af ionerne, stærk respons af ladede partikler på eksterne elektriske felter, og evne til at detektere ændringer i nanometerskala i ionbevægelse.