Känsliga sensorer måste isoleras från sin omgivning så mycket som möjligt för att undvika störningar. Forskare vid ETH Zürich har nu visat hur man tar bort från och lägger till elementära laddningar till en nanosfär som kan användas för att mäta extremt svaga krafter.

En liten sfär och en laserstråle inuti vilken den svävar som genom ett trollslag – med dessa enkla ingredienser har Martin Frimmer och medarbetare vid Photonics Laboratory of ETH Zürich utvecklat en mycket känslig sensor. I framtiden förväntas denna enhet mäta, bland annat, extremt svaga krafter eller elektriska fält mycket exakt. Nu har forskarna tagit ett stort steg i den riktningen, som de skriver i en nyligen publicerad vetenskaplig artikel.

Nanosfär i en laserstråle

Martin Frimmer, en postdoktor i gruppen av ETH-professor Lukas Novotny, förklarar funktionsprincipen för en sensor mycket rimligt:​​"Först måste jag veta hur objektet som fungerar som en sensor påverkas av sin omgivning. Allt som händer bortom detta inflytande säger mig:det finns en kraft i arbete." I praktiken innebär detta vanligtvis att interaktioner med omgivningen bör hållas på ett minimum för att maximera sensorns känslighet för de krafter man vill mäta.

Forskarna uppnådde just det genom att fånga en nanopartikel av kiseldioxid, vars diameter är ungefär hundra gånger mindre än ett människohår, med en fokuserad laserstråle. Strålen skapar en "optisk pincett" där nanosfären hålls i strålens fokus av ljuskrafter. Om en ytterligare kraft verkar på sfären, den flyttas från viloläget, som i sin tur kan mätas med hjälp av en laserstråle.

Urladdning med hög spänning

Eftersom den optiska pincetten håller nanosfären svävande i luften utan någon mekanisk kontakt, miljöpåverkan kan lätt reduceras till ett minimum. Att göra så, Frimmer och hans team placerar den optiska pincetten inuti en vakuumkammare så att det praktiskt taget inte blir fler kollisioner med luftmolekyler. Det enda som finns kvar nu som kan skapa en störning är en möjlig elektrisk laddning på nanopartikeln. På grund av en sådan avgift, otillräckligt skärmade elektriska fält kan påverka sfären och, därför, en möjlig mätning. Av denna anledning har ETH-forskarna nu utvecklat en enkel men mycket effektiv metod med vilken laddningen på sfären kan neutraliseras.

För detta ändamål monterade de en tråd inuti vakuumkammaren som var ansluten till en 7000 volt högspänningsgenerator. Den höga spänningen gjorde att luftmolekylerna joniserades, dvs. att delas upp i negativt laddade elektroner och positivt laddade joner. Var och en av dessa kan nu hoppa in på nanosfären och göra dess laddning mer positiv eller mer negativ.

För att mäta laddningen som bärs av sfären vid varje givet ögonblick, fysikerna utsatte den för ett oscillerande elektriskt fält och observerade hur starkt sfären reagerade på det. På detta sätt kunde de bekräfta att sfärens laddning förändrades i steg av exakt en elementär laddning (d.v.s. laddningen av en elektron) till det negativa eller till det positiva. När högspänningen stängs av, sfärens momentana laddning förblir konstant i dagar.

Gravitation och kvantmekanik

Denna perfekta kontroll gör det möjligt för forskarna att helt neutralisera den elektriska laddningen på nanopartikeln. Som ett resultat, elektriska fält har inte längre någon effekt på sfären, vilket gör det möjligt att exakt mäta andra mycket svaga krafter. En sådan kraft är gravitationen. Martin Frimmer spekulerar, om än försiktigt, att nanosensorn han utvecklat i framtiden ska möjliggöra studier av samspelet mellan gravitation och kvantmekanik.

Genom smart manipulation av den optiska pincetten kan forskarna redan kyla ner sfären till under en tiotusendels grad över absoluta nollpunkten. För ännu lägre temperaturer förväntas nanopartikeln börja bete sig kvantmekaniskt, så att fenomen som kvantöverlagringar och deras beroende av gravitationen kan observeras.

Intressanta tillämpningar av sensorn presenterar sig också i vardagliga sammanhang, såsom mätning av accelerationer. Eftersom nanosfärens laddning inte bara kan neutraliseras, men också inställt på ett väldefinierat värde efter behag, sensorn är lika lämplig för precisionsmätningar av elektriska fält.