Gevoelige sensoren moeten zoveel mogelijk van hun omgeving worden geïsoleerd om storingen te voorkomen. Wetenschappers van ETH Zürich hebben nu aangetoond hoe elementaire ladingen kunnen worden verwijderd en toegevoegd aan een nanosfeer die kan worden gebruikt voor het meten van extreem zwakke krachten.

Een piepklein bolletje en een laserstraal waarbinnen het als bij toverslag zweeft - met deze eenvoudige ingrediënten hebben Martin Frimmer en collega's van het fotonica-laboratorium van ETH Zürich een zeer gevoelige sensor ontwikkeld. In de toekomst zal dit apparaat naar verwachting meten, onder andere, extreem zwakke krachten of elektrische velden heel precies. Nu hebben de onderzoekers een grote stap in die richting gezet, zoals ze schrijven in een recent gepubliceerd wetenschappelijk artikel.

Nanosfeer in een laserstraal

Martijn Frimmer, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van ETH-professor Lukas Novotny, legt het werkingsprincipe van een sensor heel aannemelijk uit:"Eerst moet ik weten hoe het object dat als sensor fungeert, wordt beïnvloed door zijn omgeving. Alles wat er buiten die invloed gebeurt, zegt me:er is een kracht aan het werk." In de praktijk betekent dit meestal dat interacties met de omgeving tot een minimum beperkt moeten blijven om de gevoeligheid van de sensor voor de te meten krachten te maximaliseren.

De wetenschappers bereikten precies dat door een silica-nanodeeltje op te vangen, waarvan de diameter ongeveer honderd keer kleiner is dan een mensenhaar, met behulp van een gerichte laserstraal. De straal creëert een "optisch pincet" waarin de nanosfeer door lichtkrachten in het brandpunt van de straal wordt gehouden. Als er een extra kracht op de bol werkt, het wordt verschoven vanuit zijn rustpositie, die op zijn beurt kan worden gemeten met behulp van een laserstraal.

Ontladen door hoogspanning

Omdat het optische pincet de nanosfeer in de lucht houdt zonder enig mechanisch contact, de invloed van de omgeving kan eenvoudig tot een minimum worden beperkt. Om dit te doen, Frimmer en zijn team plaatsen het optische pincet in een vacuümkamer, zodat er vrijwel geen botsingen meer zijn met luchtmoleculen. Het enige dat nu nog voor verstoring kan zorgen, is een mogelijke elektrische lading op het nanodeeltje. Door een dergelijke heffing onvoldoende afgeschermde elektrische velden kunnen de bol beïnvloeden en, daarom, een mogelijke meting. Daarom hebben de ETH-onderzoekers nu een eenvoudige maar zeer efficiënte methode ontwikkeld waarmee de lading op de bol kan worden geneutraliseerd.

Daartoe monteerden ze een draad in de vacuümkamer die was aangesloten op een hoogspanningsgenerator van 7000 volt. Door de hoge spanning werden de luchtmoleculen geïoniseerd, d.w.z., te splitsen in negatief geladen elektronen en positief geladen ionen. Elk van deze zou nu op de nanosfeer kunnen springen en zijn lading positiever of negatiever kunnen maken.

Om de lading te meten die op een bepaald moment door de bol wordt gedragen, de natuurkundigen stelden het bloot aan een oscillerend elektrisch veld en observeerden hoe sterk de bol daarop reageerde. Op deze manier konden ze bevestigen dat de lading van de bol veranderde in stappen van precies één elementaire lading (d.w.z. de lading van een elektron) naar het negatieve of naar het positieve. Wanneer de hoogspanning is uitgeschakeld, momentane lading van de bol blijft dagenlang constant.

Zwaartekracht en kwantummechanica

Deze perfecte controle stelt de wetenschappers in staat om de elektrische lading op het nanodeeltje volledig te neutraliseren. Als resultaat, elektrische velden hebben geen effect meer op de bol, waardoor het mogelijk is om andere zeer zwakke krachten nauwkeurig te meten. Een van die krachten is de zwaartekracht. Martin Frimmer speculeert, zij het voorzichtig, dat de door hem ontwikkelde nanosensor in de toekomst het samenspel tussen zwaartekracht en kwantummechanica mogelijk moet maken.

Door slimme manipulatie van het optische pincet kunnen de onderzoekers de bol al afkoelen tot onder een tienduizendste graad boven het absolute nulpunt. Voor nog lagere temperaturen wordt verwacht dat het nanodeeltje zich kwantummechanisch gaat gedragen, zodat fenomenen zoals kwantumsuperposities en hun afhankelijkheid van de zwaartekracht kunnen worden waargenomen.

Interessante toepassingen van de sensor dienen zich ook aan in alledaagse contexten, zoals het meten van versnellingen. Omdat de lading van de nanosfeer niet alleen geneutraliseerd kan worden, maar ook ingesteld op een goed gedefinieerde waarde naar believen, de sensor is evenzeer geschikt voor precisiemetingen van elektrische velden.