(PhysOrg.com) -- I spetsen för nanoteknik, forskare designar miniatyrmaskiner för att göra stora jobb, från att behandla sjukdomar till att utnyttja solljus för energi. Men när de tänjer på gränserna för denna teknik, enheterna blir så små och känsliga att beteendet hos enskilda atomer börjar komma i vägen. Nu har Caltech-forskare, för första gången, mätt och karakteriserat dessa atomära fluktuationer - som orsakar statistiskt brus - i en nanoskala enhet.

Fysikern Michael Roukes och hans kollegor är specialiserade på att bygga enheter som kallas nanoelektromekaniska system - NEMS för korta - som har en myriad av tillämpningar. Till exempel, genom att detektera närvaron av proteiner som är markörer för sjukdom, enheterna kan fungera som billiga och bärbara diagnostiska verktyg – användbara för att hålla människor friska i fattiga och landsbygdsområden i världen. Liknande prylar kan mäta giftiga gaser i ett slutet rum, ge en varning för invånarna.

Två år sedan, Roukes grupp skapade världens första nanomekaniska masspektrometer, gör det möjligt för forskarna att mäta massan av en enda biologisk molekyl. Enheten, en resonator som liknar en liten bro, består av en tunn remsa av material 2 mikron lång och 100 nanometer bred som vibrerar med en resonansfrekvens på flera hundra megahertz. När en atom placeras på bron, frekvensen skiftar i proportion till atomens massa.

Men med allt känsligare enheter, atomernas slumpmässiga rörelser spelar in, genererar statistiskt brus. "Det är som dimma eller rök som skymmer det du försöker mäta, säger Roukes, som är professor i fysik, tillämpad fysik, och bioteknik. För att skilja signal från brus, forskare måste förstå vad som orsakar bråket.

Så Roukes – tillsammans med den tidigare doktoranden och forskaren Philip X. L. Feng, tidigare doktorand Ya-Tang (Jack) Yang, och före detta postdoktorn Carlo Callegari – bestämde sig för att mäta detta brus i en NEMS-resonator. De beskrev sina resultat i aprilnumret av tidskriften Nano Letters.

I deras experiment, forskarna sprutade xenongas på en broliknande resonator som liknar den de använde för att väga biologiska molekyler. Xenonet kan ansamlas i ett enatoms tjockt lager på ytan, som kulor som täcker ett bord. I ett sådant arrangemang - ett så kallat monolager - packas atomerna så tätt ihop att de inte har mycket utrymme att röra sig. Men för att studera buller, forskarna skapade ett submonolager, som inte har tillräckligt med atomer för att helt täcka resonatorns yta. På grund av det extra utrymmet, atomerna har större frihet att röra sig, vilket genererar mer ljud i systemet.

Atomerna i submonolagret gör en av tre saker:de fastnar på ytan, lossnar och flyger iväg, eller glida av. Eller i fysiken tala, atomerna adsorberar, desorbera, eller diffus. Tidigare teorier hade förutspått att bruset med största sannolikhet beror på att atomer fastnar och lossnar. Men nu när forskarna kunde observera vad som faktiskt händer i en sådan enhet, de upptäckte att diffusion dominerar bruset. Vad som är anmärkningsvärt, forskarna säger, är att de fann att när en atom glider längs resonatorns yta, det gör att enhetens vibrationsfrekvens fluktuerar. Det är första gången någon har mätt denna effekt, eftersom tidigare enheter inte var känsliga för denna typ av spridning. De hittade också nya kraftlagar i brusfrekvensernas spektra – kvantitativa beskrivningar av de frekvenser vid vilka atomerna vibrerar.

Det finns fortfarande mycket mer att lära sig om det här brusets fysik, säger forskarna. I sista hand, de kommer att behöva ta reda på hur de ska bli av med det eller undertrycka det för att bygga bättre NEMS-enheter. Men att förstå detta brus – genom att mäta enskilda atomers slumpmässiga rörelser – är i sig fascinerande vetenskap, säger Roukes. "Det är ett nytt fönster till hur saker fungerar i nanoskalavärlden."