(PhysOrg.com) -- Fysiker vid National Institute of Standards and Technology har använt en liten kristall av joner (elektriskt laddade atomer) för att upptäcka krafter i skalan av yoctonewtons. Mätningar av små krafter - en yoctonewton motsvarar vikten av en enda kopparatom på jorden - kan vara användbara vid kraftmikroskopi, vetenskap i nanoskala, och tester av grundläggande fysikteorier.

En newton är redan en liten enhet:ungefär kraften av jordens gravitation på ett litet äpple. En yoctonewton är en septilliondel av en newton (yocto betyder 23 nollor efter decimalen, eller 0,0000000000000000000000001).

Mätningar av försvinnande små krafter görs vanligtvis med små mekaniska oscillatorer, som vibrerar som gitarrsträngar. Den nya NIST-sensorn, beskrivs i Naturens nanoteknik , * är ännu mer exotisk - en platt kristall av cirka 60 berylliumjoner fångade inuti en vakuumkammare av elektromagnetiska fält och kylda till 500 miljondelar av en grad över absolut noll med en ultraviolett laser. Apparaten har utvecklats under de senaste 15 åren för experiment relaterade till jonplasma och kvantberäkning. I detta fall, den användes för att mäta krafter i yoktonewtonskala från ett pålagt elektriskt fält. Särskilt, experimentet visade att det var möjligt att mäta cirka 390 yoctonewton på bara en sekund av mättiden, en snabb hastighet som indikerar teknikens höga känslighet. Känslighet är en tillgång för praktiska tillämpningar.

Det tidigare kraftmätningsrekordet med denna känslighetsnivå uppnåddes av en annan NIST-fysiker som mätte krafter 1, 000 gånger större, eller 500 zeptonewton (0,000000000000000000005 newton) på en sekund av mättiden med hjälp av en mekanisk oscillator.** Tidigare NIST-forskning indikerade att en enda infångad jon kunde känna av krafter på yoctonewton-skalor men gjorde inte kalibrerade mätningar. ***

Jonsensorn som beskrivs i Naturens nanoteknik fungerar genom att undersöka hur en applicerad kraft påverkar jons rörelse, baserat på förändringar i laserljus som reflekteras från jonerna. Ett litet oscillerande elektriskt fält som appliceras på kristallen får jonerna att gunga fram och tillbaka; som jonerna rockar, intensiteten hos det reflekterade laserljuset vinglar i synk med jonrörelsen. En förändring i mängden reflekterat laserljus på grund av kraften är detekterbar, tillhandahålla ett mått på jonernas inducerade rörelse med hjälp av en princip liknande den som används i en polismans radarpistol. Tekniken är mycket känslig på grund av den låga massan av joner, starkt svar från laddade partiklar på yttre elektriska fält, och förmåga att upptäcka förändringar i nanometerskala i jonrörelse.