Enhed til detektering af bevægelser i subatomær skala

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en ny enhed, der måler bevægelse af super-bittesmå partikler, der krydser afstande næsten ufatteligt små-kortere end diameteren af ​​et brintatom, eller mindre end en milliondel af et menneskehårs bredde. Ikke alene kan den håndholdte enhed fornemme atomskala bevægelse af dens små dele med en hidtil uset præcision, men forskerne har udtænkt en metode til masseproduktion af det meget følsomme måleværktøj.

Det er relativt let at måle små bevægelser af store objekter, men meget vanskeligere, når de bevægelige dele er på nanometers skala, eller milliarddele af en meter. Evnen til nøjagtigt at måle små forskydninger af mikroskopiske kroppe har anvendelser til at registrere spor af farlige biologiske eller kemiske midler, perfektionere bevægelsen af ​​miniaturerobotter, nøjagtig implementering af airbags og detektering af ekstremt svage lydbølger, der rejser gennem tynde film.

NIST -fysikere Brian Roxworthy og Vladimir Aksyuk beskriver deres arbejde i december 6, 2016, Naturkommunikation .

Forskerne målte subatomisk skala bevægelse i en guld nanopartikel. De gjorde dette ved at konstruere et lille luftgab, omkring 15 nanometer i bredden, mellem guld -nanopartiklen og en guldplade. Dette hul er så lille, at laserlys ikke kan trænge ind i det.

Imidlertid, de lysaktiverede overfladeplasmoner - det kollektive, bølgelignende bevægelse af grupper af elektroner begrænset til at rejse langs grænsen mellem guldoverfladen og luften.

Forskerne udnyttede lysets bølgelængde, afstanden mellem successive toppe af lysbølgen. Med det rigtige valg af bølgelængde, eller tilsvarende, dens frekvens, laserlyset får plasmoner med en bestemt frekvens til at svinge frem og tilbage, eller genlyd, langs hullet, som efterklang fra en plukket guitarstreng. I mellemtiden, når nanopartiklen bevæger sig, det ændrer hullets bredde og som at stemme en guitarstreng, ændrer frekvensen, hvormed plasmonerne resonerer.

Samspillet mellem laserlyset og plasmonerne er afgørende for at registrere små forskydninger fra nanoskala partikler, bemærker Aksyuk. Lys kan ikke let registrere placeringen eller bevægelsen af ​​et objekt, der er mindre end laserens bølgelængde, men omdannelse af lyset til plasmoner overvinder denne begrænsning. Fordi plasmonerne er begrænset til det lille hul, de er mere følsomme end lyset er til at mærke bevægelse af små genstande som guld -nanopartiklen.

Mængden af ​​laserlys, der reflekteres tilbage fra plasmon -enheden, afslører bredden af ​​hullet og nanopartiklens bevægelse. Formode, for eksempel, at hullet ændres - på grund af nanopartikelens bevægelse - på en sådan måde, at den naturlige frekvens, eller resonans, af plasmonerne mere tæt på laserlysets frekvens. I det tilfælde, plasmonerne er i stand til at absorbere mere energi fra laserlyset, og mindre lys reflekteres.

For at bruge denne bevægelsesfølende teknik i en praktisk enhed, Aksyuk og Roxworthy indlejrede guld-nanopartiklen i en mekanisk struktur i mikroskopisk skala-en vibrerende cantilever, en slags miniatureplade - der var et par mikrometer lang, lavet af siliciumnitrid. Selv når de ikke er sat i gang, sådanne enheder sidder aldrig helt stille, men vibrerer ved høj frekvens, skubbet af tilfældig bevægelse af deres molekyler ved stuetemperatur. Selvom vibrationens amplitude var lille - bevægelige subatomære afstande - var det let at opdage med den nye plasmoniske teknik. Lignende, dog typisk større, mekaniske strukturer bruges almindeligvis til både videnskabelige målinger og praktiske sensorer; for eksempel, detektering af bevægelse og orientering i biler og smartphones. NIST -forskerne håber, at deres nye måde at måle bevægelse på nanoskalaen vil bidrage til yderligere at miniaturisere og forbedre ydeevnen for mange sådanne mikromekaniske systemer.

"Denne arkitektur baner vejen for fremskridt inden for nanomekanisk sansning, "forskerne skriver." Vi kan registrere bittesmå bevægelser mere lokalt og præcist med disse plasmoniske resonatorer end nogen anden måde at gøre det på, "sagde Aksyuk.

Teamets fabrikationstilgang tillader produktion af omkring 25, 000 af enhederne på en computerchip, med hver enhed skræddersyet til at registrere bevægelse i henhold til producentens behov.