Torsionsbalansen innehåller en styv balansbalk upphängd av en fin tråd som ett uråldrigt vetenskapligt instrument som fortsätter att bilda en mycket känslig kraftsensor hittills. Kraftkänsligheten är proportionell mot längden på balken och gängan och omvänt proportionell mot fjärde potensen av gängans diameter; därför, nanomaterial som stödjer torsionsbalanserna bör vara idealiska byggstenar. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Lin Cong och ett forskarlag inom kvantfysik, mikroelektronik och nanomaterial i Kina har detaljerat en vridningsbalansuppsättning på ett chip med den högsta känslighetsnivån. Teamet underlättade detta genom att använda ett nanorör i kol som tråden och en monolager grafen belagd med aluminiumfilmer som stråle och spegel. Med hjälp av experimentinställningen, Cong et al. mätte femtonewtonkraften som utövas av en svag laser. Balanserna på chippet fungerade som en idealisk plattform för att undersöka grundläggande interaktioner upp till zeptonewton i noggrannhet.

En modern roll för forntida vetenskapliga instrument

Torsionspendeln är ett uråldrigt vetenskapligt instrument som användes för att upptäcka Coulombs lag 1785 och för att bestämma jordens densitet 1798. Instrumentet är användbart i en rad tillämpningar inklusive befintliga vetenskapliga undersökningar för att exakt bestämma gravitationskonstanten. Den mest effektiva metoden för att uppnå hög känslighet i uppställningen är att minska diametern på upphängningsgängan så mycket som möjligt. Till exempel, år 1931, Kappler et al. använde en centimeterlång tråd för att utveckla en mycket känslig torsionsbalans för att sätta rekord för en hittills ouppnådd inre kraftkänslighet. För närvarande, Kolnanorör bildar ett av de starkaste och tunnaste materialen som är kända. I det här arbetet, teamet syntetiserade ultralånga kolnanorör (CNT) och storarea grafen för att avsevärt öka längden på balansbalken och upphängningstråden för att avsevärt förbättra instrumentets känslighet. Enhetsutvecklingsmetoden var kompatibel med halvledarbearbetning för inkorporering i en 4 gånger 4 array på ett chip.

Under designprocessen, Cong et al. valde ett individuellt kolnanorör med en diameter på några nanometer för att bilda tråden, för upphängning som en ultralätt stråle gjord av monolager grafen belagd med aluminiumfilmer. Instrumentets extremt låga tröghetsmoment reducerade mättiden till undersekunder vid rumstemperatur jämfört med Kappler-instrumentet, som tog timmar. Utvecklingsprocessen för torsionsbalansen inkluderade bildandet av en fristående grafen CNT-film, vilket Cong et al. överföras till en prefabricerad kiselwafer array. Forskarna överförde sedan ett individuellt kolnanorör (CNT) till ett grafen-CNT (GCF) täckt substrat som en upphängningstråd. De deponerade sedan ett tunt lager av aluminium på båda sidor av substratet för att få en högreflekterande spegel och tog bort delar av grafen-kol nanoröret med hjälp av en laser. I sista hand, den ultratunna spegeln verkade sväva i luften på grund av CNT-trådens osynlighet under ett optiskt mikroskop.

Mätningar och känslighetskarakterisering.

För att övervinna påverkan av luftströmmar, Cong et al. förseglade CNT-torsionsbalansen i en vakuumkammare och lade till kammaren till en optisk arbetsstation med en högpresterande laminärflödesisolator för att isolera vibrationerna och det mekaniska bruset från omgivningen. Under mätningarna, forskarna stoppade torrpumpen och turbopumpen i systemet och behöll bara jonpumpen för att behålla vakuumaktiviteten. För den optiska mätningen, teamet fokuserade en laserstråle med effekt på några mikrowatt för att utöva fotontryck och få torsionsbalansen att rotera i en liten vinkel runt kolnanorörets (CNT) tråd. De mätte sedan den inducerade vinkeln med en line array charge-coupled device (CCD) sensor för att detektera positionen för det reflekterade ljuset. Spegelns potentiella vridningsenergi stämde överens med de teoretiska värden som förutspåddes av den Brownska rörelseteorin. För att förstå balansens prestanda, Cong et al. utförde optiska avläsningar för 11 olika lasereffekter på 10 olika platser. Medelvärdena för torsionsoscillationsfrekvenserna förändrades inte med lasereffekt. Kolnanorörsvridningsbalansen kunde mäta den svaga kraften med femtonewton-upplösning, och lasereffekten skulle kunna reduceras ytterligare för att undvika avböjningar utanför området. Ytterligare minskningar av lasereffekten påverkade vinkelmätningen allvarligt; forskarna föreslår därför att man använder en andra sonderande laserstråle för att detektera avböjningsvinkeln vid mätning av sub-femtonewton-krafter som utövas av ett svagare laserljus.

Syn

På det här sättet, Lin Cong och kollegor tillhandahöll en pålitlig metod för att underlätta torsionsbalansen för att göra den attraktiv för on-chip-applikationer. Teamet förbättrade prestandan för torsionsbalansen i kolnanorör med ett kolnanorör med liten diameter som upphängningsgänga. Den förväntade zeptonewton kraftupplösningen kan bryta rekordet av resultat som erhålls vid ultralåg temperatur som ett viktigt genombrott inom området för mätning av svag kraft. Kolnanorörets torsionsvinkel kan justeras kontinuerligt för att påverka elektrontransportegenskaperna som produceras via vridpåkänning över ett brett område. Den aktuella studien är preliminär och kan förbättras ytterligare. Spänningsbalanserna i kolnanorör (CNT) som beskrivs i detta arbete erbjöd femtonewton-upplösning baserad på ett individuellt kolnanorör som upphängningsgänga och en aluminiserad grafen-CNT (GCF) som balansstråle och spegel. Den höga känsligheten och enkla tillverkningen av CNT-torsionsbalansen kommer att tillåta ny grundläggande forskning att utforska svaga effekter och fastställa nya fysiklagar.

© 2021 Science X Network