Onderzoekers van de Griffith University die samenwerken met de Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) hebben een verbluffend nauwkeurige techniek onthuld voor wetenschappelijke metingen die een enkel atoom als sensor gebruikt, met een gevoeligheid tot 100 zeptoNewton.

Met behulp van zeer geminiaturiseerde Fresnel-lenzen in gesegmenteerde stijl - hetzelfde ontwerp dat al meer dan een eeuw in vuurtorens wordt gebruikt - die uitzonderlijk hoogwaardige beelden van een enkel atoom mogelijk maken, de wetenschappers hebben positieverplaatsingen met nanometerprecisie in drie dimensies kunnen detecteren.

"Ons atoom mist één elektron, dus het is erg gevoelig voor elektrische velden. Door de verplaatsing te meten, we hebben een zeer gevoelig instrument gebouwd voor het meten van elektrische krachten." Dr. Erik Streed, van het Centrum voor Kwantumdynamica, uitgelegd.

"100 zeptoNewtons is een heel kleine kracht. Dat is ongeveer hetzelfde als de zwaartekracht tussen een persoon in Brisbane en een persoon in Canberra. Het kan worden gebruikt om te onderzoeken wat er op oppervlakken gebeurt, wat zal helpen om kwantumcomputers van het type ionenvanger en andere kwantumapparaten te miniaturiseren."

Griffith-onderzoekers pionieren sinds 2011 met de toepassing van dergelijke lenzen in de kwantumfysica maar dit is de eerste keer dat ze zijn gebruikt om zo'n hoge mate van nauwkeurigheid te bereiken bij het waarnemen van de krachten die een bepaald atoom beïnvloeden.

Door hun optiek opzettelijk iets onscherp te verplaatsen, de onderzoekers konden verplaatsingen in alle drie de dimensies meten, met de derde richting bepaald door of het atoom terug in focus of verder uit focus verschoof.

Samen met de toepassingen van het onderzoek voor de fundamentele fysica van magnetische, atoom, kwantum- en oppervlakteverschijnselen, Dr. Streed werkt ook als onderdeel van Griffith's Institute for Glycomics om dit soort kwantumtechnologieën aan te passen voor medisch en biologisch onderzoek.

"Met het Institute for Glycomics ben ik ook geïnteresseerd om dit te ontwikkelen tot een instrument om de elektrische velden buiten een enkel geïsoleerd biomolecuul te meten, zoals het dipoolmoment, als een nieuwe manier om te helpen begrijpen hoe ze zich gedragen, " hij zei.

De verhoogde nauwkeurigheid van de techniek is juist te danken aan het gebruik van een solo-atoom als 'sonde' bij het verkrijgen van deze metingen. Eerdere technieken vergelijkbaar met deze gebruikten veel atomen als de elektrische krachtsensor en waren beperkt tot slechts één dimensie.

"A single-atom 3D sub-attonewton force sensor" zal verschijnen in de 23 maart 2018 editie van wetenschappelijke vooruitgang .