Относительно легко измерить маленькие движения больших объектов, но намного более трудный, когда подвижные части находятся в масштабе миллимикронов или миллиардных частей метра. У способности точно измерить крошечные смещения микроскопических тел есть применения в ощущении незначительных количеств опасных биологических или химических веществ, совершенствование движение миниатюрных роботов, точно развертывание подушек безопасности и обнаружение чрезвычайно слабых звуковых волн, едущих через тонкие пленки.
Физики NIST Брайан Роксуорти и Владимир Аксюк описывают свою работу (связь внешняя) в 6 декабря 2016, Коммуникации Природы.Исследователи измерили движение субатомного масштаба в золотой наночастице.
Они сделали это разработкой небольшой воздушный зазор, приблизительно 15 миллимикронов по ширине, между золотой наночастицей и золотым листом. Этот промежуток столь небольшой, что лазерный свет не может проникнуть через него.Однако свет возбудил поверхностные плазмоны – коллективное, подобное волне движение групп электронов, заключенных, чтобы поехать вдоль границы между золотой поверхностью и воздухом.Исследователи эксплуатировали длину волны света, расстояние между последовательными пиками световой волны.
С правильным выбором длины волны, или эквивалентно, ее частота, лазерный свет заставляет плазмоны особой частоты колебаться назад и вперед, или резонировать, вдоль промежутка, как реверберация щипнувшей струны гитары.Между тем, когда наночастица перемещается, она изменяет ширину промежутка и, как настройка струны гитары, изменяет частоту, на которой резонируют плазмоны.Взаимодействие между лазерным светом и плазмонами очень важно для ощущения крошечных смещений от наноразмерных частиц, отмечает Аксюка. Свет не может легко обнаружить местоположение или движение объекта, меньшего, чем длина волны лазера, но преобразование света к плазмонам преодолевает это ограничение.
Поскольку плазмоны ограничены крошечным промежутком, они более чувствительны, чем свет для ощущения движения маленьких объектов как золотая наночастица.Сумма лазерного света, отраженного назад от устройства плазмона, показывает ширину промежутка и движение наночастицы. Предположим, например, что промежуток изменяется – из-за движения наночастицы – таким способом, которым собственная частота или резонанс, плазмонов более тесно соответствует частоте лазерного света. В этом случае плазмоны в состоянии поглотить больше энергии от лазерного света, и менее легкий отражен.
Чтобы использовать эту ощущающую движение технику в практическом устройстве, Aksyuk и Roxworthy включили золотую наночастицу в микроскопический масштаб механическая структура – вибрирующая консоль, вид миниатюрного трамплина для прыжков – который был несколько микрометров длиной, сделан из кремния, азотируют. Даже когда они не приведены в движение, такие устройства никогда не сидят совершенно тихие, но вибрируют в высокой частоте, которую толкает случайное движение их молекул при комнатной температуре.
Даже при том, что амплитуда вибрации была крошечной – перемещение субатомных расстояний – было легко обнаружить с новой плазмонной техникой. Подобный, хотя, как правило, больше, механические структуры обычно используются и для научных измерений и для практических датчиков; например, обнаруживая движение и ориентацию в автомобилях и смартфонах. Ученые NIST надеются, что их новый способ измерить движение в наноразмерном поможет далее миниатюризировать и улучшить исполнение многих таких микромеханических систем.«Эта архитектура прокладывает путь к достижениям в наномеханическом ощущении», пишут исследователи. «Мы можем обнаружить крошечное движение более в местном масштабе и точно с этими плазмонными резонаторами, чем какой-либо другой способ сделать его», сказал Аксюк.
Подход фальсификации команды позволяет производство приблизительно 25 000 из устройств на компьютерной микросхеме с каждым устройством, скроенным, чтобы обнаружить движение согласно потребностям производителя.