Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw apparaat ontwikkeld dat de beweging meet van superkleine deeltjes die afstanden afleggen die bijna onvoorstelbaar klein zijn - korter dan de diameter van een waterstofatoom, of minder dan een miljoenste van de breedte van een mensenhaar. Het handheld-apparaat kan niet alleen de beweging op atomaire schaal van zijn kleine onderdelen met ongekende precisie waarnemen, maar de onderzoekers hebben een methode bedacht om het zeer gevoelige meetinstrument massaal te produceren.

Het is relatief eenvoudig om kleine bewegingen van grote objecten te meten, maar veel moeilijker wanneer de bewegende delen op de schaal van nanometers zijn. of miljardsten van een meter. Het vermogen om minuscule verplaatsingen van microscopisch kleine lichamen nauwkeurig te meten, heeft toepassingen bij het detecteren van sporen van gevaarlijke biologische of chemische agentia, het perfectioneren van de beweging van miniatuurrobots, het nauwkeurig activeren van airbags en het detecteren van extreem zwakke geluidsgolven die door dunne films reizen.

NIST-natuurkundigen Brian Roxworthy en Vladimir Aksyuk beschrijven hun werk in de 6 december, 2016, Natuurcommunicatie .

De onderzoekers maten bewegingen op subatomaire schaal in een gouden nanodeeltje. Ze deden dit door een kleine luchtspleet te ontwerpen, ongeveer 15 nanometer breed, tussen het gouden nanodeeltje en een gouden plaat. Deze opening is zo klein dat laserlicht er niet doorheen kan dringen.

Echter, de door licht bekrachtigde oppervlakteplasmonen - het collectieve, golfachtige beweging van groepen elektronen die beperkt zijn om langs de grens tussen het gouden oppervlak en de lucht te reizen.

De onderzoekers maakten gebruik van de golflengte van het licht, de afstand tussen opeenvolgende pieken van de lichtgolf. Met de juiste keuze van golflengte, of gelijkwaardig, zijn frequentie, het laserlicht zorgt ervoor dat plasmonen van een bepaalde frequentie heen en weer oscilleren, of resoneren, langs de kloof, als de weerkaatsing van een getokkelde gitaarsnaar. In de tussentijd, terwijl het nanodeeltje beweegt, het verandert de breedte van de opening en, zoals het stemmen van een gitaarsnaar, verandert de frequentie waarmee de plasmonen resoneren.

De interactie tussen het laserlicht en de plasmonen is van cruciaal belang voor het waarnemen van kleine verplaatsingen van deeltjes op nanoschaal, merkt Aksjoek op. Licht kan niet gemakkelijk de locatie of beweging detecteren van een object dat kleiner is dan de golflengte van de laser, maar het omzetten van het licht in plasmonen overwint deze beperking. Omdat de plasmonen beperkt zijn tot de kleine opening, ze zijn gevoeliger dan licht voor het waarnemen van de beweging van kleine objecten zoals het gouden nanodeeltje.

De hoeveelheid laserlicht die door het plasmonapparaat wordt teruggekaatst, onthult de breedte van de opening en de beweging van het nanodeeltje. Veronderstellen, bijvoorbeeld, dat de kloof verandert - als gevolg van de beweging van het nanodeeltje - op zo'n manier dat de natuurlijke frequentie, of resonantie, van de plasmonen beter overeenkomt met de frequentie van het laserlicht. In dat geval, de plasmonen kunnen meer energie uit het laserlicht opnemen, en er wordt minder licht gereflecteerd.

Om deze bewegingsdetectietechniek in een praktisch apparaat te gebruiken, Aksyuk en Roxworthy hebben het gouden nanodeeltje ingebed in een mechanische structuur op microscopische schaal - een trillende cantilever, een soort mini-duikplank - die een paar micrometers lang was, gemaakt van siliciumnitride. Zelfs als ze niet in beweging zijn gezet, zulke apparaten zitten nooit helemaal stil, maar trillen met een hoge frequentie, verdrongen door de willekeurige beweging van hun moleculen bij kamertemperatuur. Hoewel de amplitude van de trilling klein was - subatomaire afstanden bewegend - was het gemakkelijk te detecteren met de nieuwe plasmonische techniek. Vergelijkbaar, hoewel meestal groter, mechanische constructies worden vaak gebruikt voor zowel wetenschappelijke metingen als praktische sensoren; bijvoorbeeld, detecteren van beweging en oriëntatie in auto's en smartphones. De NIST-wetenschappers hopen dat hun nieuwe manier om beweging op nanoschaal te meten, zal helpen om de prestaties van veel van dergelijke micromechanische systemen verder te verkleinen en te verbeteren.

"Deze architectuur maakt de weg vrij voor vooruitgang in nanomechanische detectie, ', schrijven de onderzoekers. 'Met deze plasmonische resonatoren kunnen we kleine bewegingen meer lokaal en nauwkeurig detecteren dan met welke andere manier dan ook. ' zei Aksjoek.

De fabricagebenadering van het team maakt de productie mogelijk van ongeveer 25, 000 van de apparaten op een computerchip, met elk apparaat op maat gemaakt om beweging te detecteren volgens de behoeften van de fabrikant.