Schematisk visar laserljus som interagerar med en plasmonisk gapresonator, en miniatyrenhet designad på NIST för att med oöverträffad precision mäta nanopartiklarnas rörelser i nanoskala. En infallande laserstråle (rosa stråle till vänster) träffar resonatorn, som består av två lager guld åtskilda av en luftspalt. Det översta guldlagret är inbäddat i en rad små konsoler (violetta) – vibrerande enheter som liknar en miniatyr hoppbräda. När en cantilever rör sig, det ändrar bredden på luftgapet, som, i tur och ordning, ändrar intensiteten hos laserljuset som reflekteras från resonatorn. Moduleringen av ljuset avslöjar förskjutningen av den lilla konsolen. Kredit:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en ny enhet som mäter rörelsen hos supersmå partiklar som korsar avstånd nästan ofattbart små - kortare än diametern på en väteatom, eller mindre än en miljondel av ett människohårs bredd. Den handhållna enheten kan inte bara känna av rörelsen i atomär skala av dess små delar med oöverträffad precision, men forskarna har utarbetat en metod för att massproducera det mycket känsliga mätverktyget.
Det är relativt enkelt att mäta små rörelser av stora föremål men mycket svårare när de rörliga delarna är på nanometerskalan, eller miljarddels meter. Förmågan att noggrant mäta små förskjutningar av mikroskopiska kroppar kan användas för att känna av spårmängder av farliga biologiska eller kemiska ämnen, perfektion av miniatyrrobotars rörelser, exakt utlösa krockkuddar och upptäcka extremt svaga ljudvågor som färdas genom tunna filmer.
NIST-fysikerna Brian Roxworthy och Vladimir Aksyuk beskriver sitt arbete den 6 december, 2016, Naturkommunikation .
Forskarna mätte rörelse i subatomär skala i en guldnanopartikel. De gjorde detta genom att konstruera ett litet luftgap, cirka 15 nanometer i bredd, mellan guldnanopartikeln och en guldskiva. Detta gap är så litet att laserljus inte kan tränga igenom det.
Dock, de ljuskraftiga ytplasmonerna – kollektivet, vågliknande rörelse av grupper av elektroner som begränsas till att färdas längs gränsen mellan guldytan och luften.
Dessa optiska mikrofotografier ger en vy uppifrån och ned av flera plasmoniska gapresonatorer och zoomar in på en enda enhet. Nederst till höger visar schematiskt en enskild enhet. Kredit:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
Forskarna utnyttjade ljusets våglängd, avståndet mellan på varandra följande toppar av ljusvågen. Med rätt val av våglängd, eller motsvarande, dess frekvens, laserljuset får plasmoner med en viss frekvens att svänga fram och tillbaka, eller resonera, längs gapet, som efterklangen från en plockad gitarrsträng. Under tiden, när nanopartikeln rör sig, det ändrar bredden på gapet och, som att stämma en gitarrsträng, ändrar frekvensen med vilken plasmonerna resonerar.
Interaktionen mellan laserljuset och plasmonerna är avgörande för att känna av små förskjutningar från partiklar i nanoskala, konstaterar Aksyuk. Ljus kan inte lätt upptäcka platsen eller rörelsen av ett föremål som är mindre än laserns våglängd, men att omvandla ljuset till plasmoner övervinner denna begränsning. Eftersom plasmonerna är begränsade till det lilla gapet, de är känsligare än ljus för att känna av rörelsen hos små föremål som guldnanopartikeln.
Mängden laserljus som reflekteras tillbaka från plasmonanordningen avslöjar bredden på gapet och nanopartikelns rörelse. Anta, till exempel, att gapet förändras – på grund av nanopartikelns rörelse – på ett sådant sätt att den naturliga frekvensen, eller resonans, av plasmonerna stämmer mer överens med laserljusets frekvens. Isåfall, plasmonerna kan absorbera mer energi från laserljuset, och mindre ljus reflekteras.
För att använda denna rörelseavkännande teknik i en praktisk enhet, Aksyuk och Roxworthy bäddade in guldnanopartikeln i en mekanisk struktur i mikroskopisk skala - en vibrerande konsol, typ en miniatyr hoppbräda - som var några mikrometer lång, gjord av kiselnitrid. Även när de inte sätts igång, sådana enheter sitter aldrig helt stilla, men vibrerar med hög frekvens, knuffas av den slumpmässiga rörelsen av deras molekyler vid rumstemperatur. Även om vibrationens amplitud var liten – rörliga subatomära avstånd – var den lätt att upptäcka med den nya plasmoniska tekniken. Liknande, men vanligtvis större, mekaniska strukturer används vanligtvis för både vetenskapliga mätningar och praktiska sensorer; till exempel, upptäcka rörelse och orientering i bilar och smartphones. NIST-forskarna hoppas att deras nya sätt att mäta rörelse i nanoskala kommer att bidra till att ytterligare miniatyrisera och förbättra prestandan hos många sådana mikromekaniska system.
"Denna arkitektur banar väg för framsteg inom nanomekanisk avkänning, " skriver forskarna. "Vi kan detektera små rörelser mer lokalt och exakt med dessa plasmoniska resonatorer än något annat sätt att göra det, sa Aksyuk.
Teamets tillverkningsmetod tillåter produktion av cirka 25, 000 av enheterna på ett datorchip, med varje enhet skräddarsydd för att detektera rörelse enligt tillverkarens behov.
