Bring (nano)støjen ind

(PhysOrg.com) -- På forkant med nanoteknologi, forskere designer miniaturemaskiner til at udføre store opgaver, fra behandling af sygdomme til at udnytte sollys til energi. Men da de skubber grænserne for denne teknologi, enheder bliver så små og følsomme, at individuelle atomers adfærd begynder at komme i vejen. Nu har Caltech-forskere, for første gang, målt og karakteriseret disse atomare fluktuationer - som forårsager statistisk støj - i en enhed i nanoskala.

Fysiker Michael Roukes og hans kolleger har specialiseret sig i at bygge enheder kaldet nanoelektromekaniske systemer - NEMS for kort - som har et utal af applikationer. For eksempel, ved at påvise tilstedeværelsen af ​​proteiner, der er markører for sygdom, enhederne kan tjene som billige og bærbare diagnostiske værktøjer - nyttige til at holde mennesker sunde i fattige og landlige dele af verden. Lignende gadgets kan måle giftige gasser i et lukket rum, give en advarsel til indbyggerne.

To år siden, Roukes' gruppe skabte verdens første nanomekaniske massespektrometer, gør det muligt for forskerne at måle massen af ​​et enkelt biologisk molekyle. Enheden, en resonator, der ligner en lille bro, består af en tynd stribe materiale 2 mikron lang og 100 nanometer bred, der vibrerer med en resonansfrekvens på flere hundrede megahertz. Når et atom er placeret på broen, frekvensen skifter i forhold til atomets masse.

Men med stadig mere følsomme enheder, atomernes tilfældige bevægelser spiller ind, genererer statistisk støj. "Det er som tåge eller røg, der skjuler det, du prøver at måle, " siger Roukes, der er professor i fysik, anvendt fysik, og bioteknik. For at skelne signal fra støj, forskere er nødt til at forstå, hvad der forårsager ballade.

Så Roukes - sammen med tidligere kandidatstuderende og stabsforsker Philip X. L. Feng, tidligere kandidatstuderende Ya-Tang (Jack) Yang, og tidligere postdoc Carlo Callegari - satte sig for at måle denne støj i en NEMS-resonator. De beskrev deres resultater i apriludgaven af ​​tidsskriftet Nano Letters.

I deres eksperiment, forskerne sprøjtede xenongas på en brolignende resonator, der ligner den, de brugte til at veje biologiske molekyler. Xenonet kan ophobes i et et-atom-tykt lag på overfladen, som kugler, der dækker et bord. I et sådant arrangement - et såkaldt monolag - er atomerne pakket så tæt sammen, at de ikke har meget plads til at bevæge sig. Men for at studere støj, forskerne lavede et submonolag, som ikke har nok atomer til helt at dække overfladen af ​​resonatoren. På grund af den ekstra plads, atomerne har mere frihed til at bevæge sig rundt, som genererer mere støj i systemet.

Atomerne i submonolaget gør en af ​​tre ting:de klæber til overfladen, løsner sig og flyver af sted, eller glide af. Eller i fysik tale, atomerne adsorberer, desorbere, eller diffus. Tidligere teorier havde forudsagt, at støjen højst sandsynligt skyldes, at atomer klæber og løsner sig. Men nu hvor forskerne var i stand til at observere, hvad der faktisk sker i sådan en enhed, de opdagede, at diffusion dominerer støjen. Hvad er bemærkelsesværdigt, siger forskerne, er, at de fandt ud af, at når et atom glider langs overfladen af ​​resonatoren, det får enhedens vibrerende frekvens til at svinge. Det er første gang nogen har målt denne effekt, da tidligere enheder ikke var følsomme over for denne form for diffusion. De fandt også nye kraftlove i støjfrekvensernes spektre – kvantitative beskrivelser af de frekvenser, hvormed atomerne vibrerer.

Der er stadig meget mere at lære om fysikken i denne støj, siger forskerne. Ultimativt, de bliver nødt til at finde ud af, hvordan de kan slippe af med det eller undertrykke det for at bygge bedre NEMS-enheder. Men at forstå denne støj – ved at måle den tilfældige bevægelse af individuelle atomer – er i sig selv fascinerende videnskab, siger Roukes. "Det er et nyt vindue til, hvordan tingene fungerer i nanoskalaverdenen."