en, En kiseldioxidnanopartikel (NP) svävas i vakuum med en 500 mW, 1, 550-nm laser hårt fokuserad av en objektivlins (OBJ) med en numerisk bländare på 0,85. Ytterligare 1, 020-nm laser används för att applicera ett externt vridmoment på nanopartikeln. Polariseringen av varje laser styrs med en kvartsvågplatta (λ/4). Efter kollimationslinsen, infångningslasern riktas till detektorer för att övervaka rörelsen hos den fångade nanopartikeln. DM, dikroisk spegel; λ/2, halv vågplatta; PBS, polariserande stråldelare; och DET, balanserad fotodetektor. Insättning:skanning av elektronmikroskopbilder av en kiseldioxidnanosfär (vänster) och en kiseldioxidnanohantel (höger). Skalstapeln är 200 nm för båda bilderna. b, En uppmätt PSD för rotationen av en optiskt leviterad nanopartikel vid 10 −4 torr. Frekvensen för PSD-toppen är två gånger rotationsfrekvensen för nanopartikeln. c, Ett spektrogram (tidsspår) av rotations-PSD för en optiskt leviterad nanopartikel registrerad i 100 s. Den första vertikala linjen motsvarar den PSD som visas i b. a.u., godtyckliga enheter. Kreditera: Naturens nanoteknik (2020). DOI:10.1038/s41565-019-0605-9
Ett team av fysiker vid Purdue University har byggt den känsligaste vridmomentmätaren någonsin. I deras papper publicerad i tidskriften Naturens nanoteknik , teamet beskriver sin nya enhet och beskriver hur den kan användas.
Vridmoment är en vridkraft som ofta leder till rotation. Enheter byggda för att mäta vridmoment i ett system har många former och finns i många storlekar. På senare år har forskare har arbetat på sätt att minska vridmomentsensorer med målet att mäta mycket små mängder vridmoment. Små enheter som använder nanotillverkning och kryogen kylning har utvecklats för att studera saker som Casimir-effekten och småskalig magnetism. Före denna nya insats, den känsligaste vridmomentsensorn hade uppnått en känslighet på 2,9 × 10 −24 N m Hz −1/2 vid millikelvintemperaturer. Teamet på Purdue satte upp som mål att slå det rekordet.
Den nya enheten bestod av en kiseldioxidnanopartikel suspenderad inuti en vakuumkammare med en 500 mW, 1, 550-nm laserstråle. Teamet applicerade vridmoment på nanopartikeln genom att avfyra en pulserande, cirkulärt polariserad 1, 020-nm laserstråle på den i 100 sekunder åt gången. Forskarna använde en kvartsvågplatta för att kontrollera polarisering. De roterande vågorna i elektromagnetstrålen gav nanopartikeln en vridningsverkan, får den att snurra med 300 miljarder rpm – den snabbaste konstgjorda rotorn som någonsin byggts. Teamet kunde mäta mängden vridmoment i enheten genom att mäta hur mycket partikelns rotationshastighet förändrades under på- och av-cyklerna med hjälp av en optisk sensor. Forskarna påpekar att deras system, till skillnad från andra som utvecklas, krävde inte intrikat nanotillverkning.
Använda enheten, forskarna kunde mäta vridmomentet till en kvadrilliondel av en newtonmeter – vilket gör den ungefär 700 gånger så känslig som den tidigare rekordhållaren. De hävdar att deras enhet kommer att vara den första att mäta vakuumfriktion - där kvantmekaniken antyder att ett föremål som snurrar i ett vakuum upplever drag på grund av elektromagnetiska fält som ständigt dyker upp och försvinner. Teamet hävdar också att enheten kan användas för magnetismforskning i nanoskala och för att studera den kvantgeometriska fasen.
© 2020 Science X Network
