Ny generations sensor kombinerer lasere og mekanik

(Phys.org) - schweiziske forskere har udviklet en hurtig, præcist opto-mekanisk målesystem, der kan indlejres i en siliciumchip. Denne nye teknologi kunne revolutionere domænet for sensorer og atomkraftmikroskopi.

Resonatorer bruges til at opdage uendelige mængder stof i atmosfæren. Sådan fungerer det:Når en mikroskopisk streng kommer i kontakt med en partikel eller et gasmolekyle, det vibrerer. Hver slags molekyle fremkalder en bestemt vibration, lidt som en note på en guitarstreng, giver den en unik signatur, der kan bruges til at identificere gassen eller suspenderede partikler i luften, selv i små mængder. Med kollegerne Pierre Verlot og Emanuel Gavartin, EPFL -fysikeren Tobias Kippenberg har taget et kritisk skridt i retning af at udvikle mere kompakt, følsomme og præcise sensorer. Teamet har offentliggjort en beskrivelse af deres enhed, som kan transporteres ombord på en enkelt chip, i journalen Naturnanoteknologi .

En disk af lys

Forskere er i øjeblikket i et kapløb om at miniaturisere resonatorer. Dette giver mening, fordi jo mindre strengen er, jo stærkere den vil reagere, når den kommer i kontakt med en partikel - med andre ord, jo mindre sensor, jo mere følsom det vil være. Med en snor, der kun er et par hundrede nanometer i diameter, enheden udviklet af Gavartin i samarbejde med EPFL’s Center for Micronanotechnology (CMi) er en af ​​de mest følsomme, der kan betjenes ved stuetemperatur.

Forskerne bruger en laserstråle, der er rettet ind i en lille glasskive til at analysere strengens vibrationer. Strålen cirkulerer 1, 000 gange på knap 2 nanosekunder, og forlader derefter disken. Strengen er placeret lige over dette foton spor, og når det vibrerer, det forstyrrer strålen. Ved at sammenligne laserens bølgelængde, når den kommer ind i disken, og når den forlader den, forskerne kan udlede strengens bevægelser.

Virtuelt kølesystem

Den største forhindring, som teamet stod over for, var et fysisk fænomen kendt som "Brownsk bevægelse." Dette forårsager tilfældige vibrationer på strengen, der forstærkes ved hver stød og tager en vis tid at dø af. Dette fænomen bremser målingerne markant. Det er lidt som om, efter at have spillet en note på en guitar, man måtte vente på, at strengen stoppede med at vibrere, før den næste tone kunne spilles.

Denne vanskelighed overvindes typisk ved at afkøle systemet ved hjælp af helium, fordi brunsk bevægelse reduceres kraftigt ved ultrakolde temperaturer. Men EPFL -teamet var i stand til at udvikle en teknik, der formindskede den brune bevægelse og stadig tillod systemet at forblive ved stuetemperatur. En laser, "sonden, ”Registrerer bevægelser i strengen. Signalet behandles i realtid og bruges til at modulere en anden laser, "kontrol, ”, Der injiceres i disken for at modvirke virkningerne af den brune bevægelse ved at udøve en modkraft på strengen. Det er en slags virtuelt kølesystem.

Hurtig, præcis og enkel at bruge

Ved hjælp af denne innovative teknik, forskerne var i stand til at reducere tiden mellem målingerne 32 gange, under drift ved ca. 20 ° C. Dette præcisionsniveau er ekstraordinært. "Hvis i stedet for en snor, vi havde en 100 m lang bro, vi kunne, holde alle de samme proportioner, måle en deformation af et enkelt nanometer, eller en ti tusindedel af hårets diameter, i realtid, ”Forklarer Verlot, der var medforfatter på papiret.

Systemet udviklet på EPFL kombinerer følsomhed - takket være enhedens størrelse - og hurtighed - takket være kontrollaseren - alt sammen uden at skulle ty til et komplekst og dyrt kølesystem. Fuldstændig integreret i en siliciumchip, systemet egner sig til mange mulige applikationer, siger Verlot. ”Sensorer er ikke det eneste område, hvor vores system kan vise sig nyttigt. For eksempel, det kan også hjælpe med at forbedre atomkraftmikroskopisystemer - opfundet i 1980'erne af den schweiziske fysiker Christoph Gerber - og, på et mere grundlæggende niveau, lette observation og måling af mange fænomener. ”