(PhysOrg.com) -- Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology hebben een klein kristal van ionen (elektrisch geladen atomen) gebruikt om krachten op de schaal van yoctonewtons te detecteren. Metingen van kleine krachten - één yoctonewton is gelijk aan het gewicht van een enkel koperatoom op aarde - kunnen nuttig zijn bij krachtmicroscopie, wetenschap op nanoschaal, en testen van fundamentele natuurkundige theorieën.

Een newton is al een kleine eenheid:ruwweg de zwaartekracht van de aarde op een kleine appel. Een yoctonewton is een septiljoenste van een newton (yocto betekent 23 nullen achter de komma, of 0.000000000000000000000001).

Metingen van verdwijnend kleine krachten worden meestal gedaan met kleine mechanische oscillatoren, die trillen als gitaarsnaren. De nieuwe NIST-sensor, beschreven in Natuur Nanotechnologie , * is zelfs nog exotischer:een plat kristal van ongeveer 60 berylliumionen, gevangen in een vacuümkamer door elektromagnetische velden en afgekoeld tot 500 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt met een ultraviolette laser. Het apparaat is de afgelopen 15 jaar ontwikkeld voor experimenten met ionenplasma's en kwantumcomputers. In dit geval, het werd gebruikt om krachten op yoctonewton-schaal te meten van een aangelegd elektrisch veld. Vooral, het experiment toonde aan dat het mogelijk was om ongeveer 390 yoctonewton te meten in slechts één seconde meettijd, een hoge snelheid die de hoge gevoeligheid van de techniek aangeeft. Gevoeligheid is een troef voor praktische toepassingen.

Het vorige krachtmetingsrecord met dit gevoeligheidsniveau werd bereikt door een andere NIST-fysicus die krachten 1 heeft gemeten. 000 keer groter, of 500 zeptonewton (0,0000000000000000005 newton) in één seconde meettijd met behulp van een mechanische oscillator.** Eerder NIST-onderzoek gaf aan dat een enkel gevangen ion krachten op yoctonewton-schalen kon detecteren, maar geen gekalibreerde metingen deed. ***

De ionensensor beschreven in Natuur Nanotechnologie werkt door te onderzoeken hoe een uitgeoefende kracht de beweging van ionen beïnvloedt, gebaseerd op veranderingen in laserlicht dat door de ionen wordt gereflecteerd. Een klein oscillerend elektrisch veld dat op het kristal wordt aangelegd, zorgt ervoor dat de ionen heen en weer schommelen; als de ionen rocken, de intensiteit van het gereflecteerde laserlicht wiebelt synchroon met de ionenbeweging. Een verandering in de hoeveelheid gereflecteerd laserlicht als gevolg van de kracht is detecteerbaar, het leveren van een maat voor de door de ionen veroorzaakte beweging met behulp van een principe dat vergelijkbaar is met dat van het radargeweer van een politieagent. De techniek is zeer gevoelig vanwege de lage massa van de ionen, sterke reactie van geladen deeltjes op externe elektrische velden, en het vermogen om veranderingen op nanometerschaal in ionenbeweging te detecteren.