En leviteret nanosfære som en ultrafølsom sensor

Følsomme sensorer skal isoleres fra deres omgivelser så meget som muligt for at undgå forstyrrelser. Forskere ved ETH Zürich har nu demonstreret, hvordan man fjerner og tilføjer elementære ladninger til en nanosfære, der kan bruges til at måle ekstremt svage kræfter.

En lille kugle og en laserstråle, som den svæver indeni som ved et trylleslag – med disse enkle ingredienser har Martin Frimmer og kollegaer ved Photonics Laboratory of ETH Zürich udviklet en meget følsom sensor. I fremtiden forventes denne enhed at måle, bl.a. ekstremt svage kræfter eller elektriske felter meget præcist. Nu har forskerne taget et stort skridt i den retning, som de skriver i en nyligt offentliggjort videnskabelig artikel.

Nanosfæren i en laserstråle

Martin Frimmer, en post-doc forsker i gruppen af ​​ETH professor Lukas Novotny, forklarer funktionsprincippet for en sensor meget plausibelt:"Først skal jeg vide, hvordan objektet, der fungerer som en sensor, er påvirket af dets omgivelser. Alt, hvad der sker ud over denne indflydelse, fortæller mig:der er en kraft på arbejde." I praksis betyder dette normalt, at interaktioner med omgivelserne skal holdes på et minimum for at maksimere sensorens følsomhed over for de kræfter, man ønsker at måle.

Forskerne opnåede netop det ved at fange en silicananopartikel, hvis diameter er omkring hundrede gange mindre end et menneskehår, ved hjælp af en fokuseret laserstråle. Strålen skaber en "optisk pincet", hvor nanosfæren holdes i strålens fokus af lyskræfter. Hvis en yderligere kraft virker på kuglen, den flyttes fra hvilestilling, som igen kan måles ved hjælp af en laserstråle.

Afladning ved højspænding

Da den optiske pincet holder nanosfæren svævende i luften uden nogen mekanisk kontakt, miljøpåvirkningen kan nemt reduceres til et minimum. For at gøre det, Frimmer og hans team placerer den optiske pincet inde i et vakuumkammer, så der stort set ikke er flere kollisioner med luftmolekyler. Det eneste tilbage nu, der kan skabe en forstyrrelse, er en mulig elektrisk ladning på nanopartiklerne. På grund af en sådan afgift, utilstrækkeligt afskærmede elektriske felter kan påvirke kuglen og, derfor, en mulig måling. Af denne grund har ETH-forskerne nu udviklet en enkel, men yderst effektiv metode, hvorved ladningen på kuglen kan neutraliseres.

Til dette formål monterede de en ledning inde i vakuumkammeret, der var forbundet med en 7000 volt højspændingsgenerator. Højspændingen fik luftmolekylerne til at blive ioniseret, dvs. at blive opdelt i negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner. Hver af dem kunne nu hoppe ind på nanosfæren og gøre dens ladning mere positiv eller mere negativ.

For at måle den ladning, som kuglen bærer på et givet tidspunkt, fysikerne udsatte den for et oscillerende elektrisk felt og observerede, hvor kraftigt kuglen reagerede på det. På denne måde var de i stand til at bekræfte, at kuglens ladning ændrede sig i trin af nøjagtig én elementær ladning (dvs. ladningen af ​​en elektron) til det negative eller til det positive. Når højspændingen er slukket, kuglens øjeblikkelige ladning forbliver konstant i dagevis.

Tyngdekraft og kvantemekanik

Denne perfekte kontrol gør det muligt for forskerne fuldstændigt at neutralisere den elektriske ladning på nanopartiklerne. Som resultat, elektriske felter har ikke længere nogen indflydelse på kuglen, som gør det muligt præcist at måle andre meget svage kræfter. En sådan kraft er tyngdekraften. Martin Frimmer spekulerer, om end forsigtigt, at den nanosensor, han udviklede, fremover skulle muliggøre studier af samspillet mellem tyngdekraft og kvantemekanik.

Ved smart manipulation af den optiske pincet kan forskerne allerede afkøle kuglen til under en ti tusindel grad over det absolutte nul. Ved endnu lavere temperaturer forventes nanopartiklen at begynde at opføre sig kvantemekanisk, så fænomener som kvanteoverlejringer og deres afhængighed af tyngdekraften kan observeres.

Interessante anvendelser af sensoren viser sig også i hverdagssammenhænge, såsom måling af accelerationer. Da ladningen af ​​nanosfæren ikke kun kan neutraliseres, men også indstillet til en veldefineret værdi efter behag, sensoren er lige så velegnet til præcisionsmålinger af elektriske felter.