(Phys.org) - Schweiziska forskare har utvecklat en snabb, exakt opto-mekaniskt mätsystem som kan bäddas in i ett kiselchip. Denna nya teknik kan revolutionera sensorer och atomkraftsmikroskopi.

Resonatorer används för att upptäcka oändliga mängder materia i atmosfären. Så här fungerar det:när en mikroskopisk sträng kommer i kontakt med en partikel eller en gasmolekyl, det vibrerar. Varje typ av molekyl framkallar en specifik vibration, lite som en anteckning på en gitarrsträng, ger den en unik signatur som kan användas för att identifiera gasen eller den suspenderade partikeln i luften, även i små mängder. Med kollegorna Pierre Verlot och Emanuel Gavartin, EPFL -fysikern Tobias Kippenberg har tagit ett kritiskt steg mot att utveckla mer kompakt, känsliga och exakta sensorer. Teamet har publicerat en beskrivning av sin enhet, som kan bäras ombord på ett enda chip, i tidningen Naturnanoteknik .

En skiva med ljus

Forskare är för närvarande i ett lopp för att miniatyrisera resonatorer. Det här är vettigt, eftersom den mindre strängen, desto starkare reagerar den när den kommer i kontakt med en partikel - med andra ord, ju mindre sensorn, desto känsligare blir det. Med en sträng som bara är några hundra nanometer i diameter, enheten som utvecklats av Gavartin i samarbete med EPFL:s Center for Micronanotechnology (CMi) är en av de mest känsliga som kan användas vid rumstemperatur.

Forskarna använder en laserstråle som riktas in i en liten glasskiva för att analysera strängens vibrationer. Strålen cirkulerar 1, 000 gånger på knappt 2 nanosekunder, och avslutar sedan disken. Strängen är placerad precis ovanför detta foton spår, och när det vibrerar, det stör strålen. Genom att jämföra laserns våglängd när den kommer in i disken och när den lämnar den, forskarna kan härleda strängens rörelser.

Virtuellt kylsystem

Det främsta hindret som laget mötte var ett fysiskt fenomen som kallas ”Brownian motion.” Detta orsakar slumpmässiga vibrationer på strängen som förstärks vid varje slag och tar en viss tid att dö av. Detta fenomen bromsar mätningarna avsevärt. Det är lite som om, efter att ha spelat en ton på en gitarr, man fick vänta på att strängen slutade vibrera innan nästa ton kunde spelas.

Denna svårighet övervinns vanligtvis genom att kyla systemet med helium, eftersom brownisk rörelse reduceras kraftigt vid ultrakalla temperaturer. Men EPFL -teamet kunde utveckla en teknik som minskade den bruna rörelsen och fortfarande tillät systemet att förbli vid rumstemperatur. En laser, "sonden, ”Detekterar rörelser i strängen. Signalen bearbetas i realtid och används för att modulera en andra laser, "kontrollen, ”Som injiceras i skivan för att motverka effekterna av den bruna rörelsen genom att utöva en motkraft på strängen. Det är ett slags virtuellt kylsystem.

Snabb, exakt och enkel att använda

Med denna innovativa teknik, forskarna kunde minska tiden mellan mätningarna 32-faldigt, under drift vid ca 20 ° C. Denna precision är extraordinär. "Om istället för en sträng, vi hade en 100 m lång bro, vi kunde, behåller alla samma proportioner, mäta en deformation av en enda nanometer, eller en tiotusendel av hårets diameter, i realtid, ”Förklarar Verlot, som var medförfattare till tidningen.

Systemet utvecklat på EPFL kombinerar känslighet - tack vare enhetens storlek - och snabbhet - tack vare styrlasern - allt utan att behöva tillgripa ett komplext och dyrt kylsystem. Helt integrerad i ett kiselchip, systemet lämpar sig för många möjliga tillämpningar, säger Verlot. ”Sensorer är inte det enda området där vårt system kan vara användbart. Till exempel, det kan också hjälpa till att förbättra atomkraftsmikroskopisystem - som uppfanns på 1980 -talet av den schweiziska fysikern Christoph Gerber - och, på en mer grundläggande nivå, underlätta observation och mätning av många fenomen. ”