Illustrazione schematica dell'unità di bilanciamento di torsione. È costituito da uno specchio Al/grafene/CNT/Al con lunghezza del fascio L sospeso da un singolo CNT di diametro d e lunghezza di sospensione l. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd2358
La bilancia di torsione contiene un rigido bilanciere sospeso da un filo sottile come un antico strumento scientifico che continua a formare un sensore di forza molto sensibile fino ad oggi. La sensibilità alla forza è proporzionale alle lunghezze del subbio e del filo ed inversamente proporzionale alla quarta potenza del diametro del filo; perciò, i nanomateriali che supportano gli equilibri di torsione dovrebbero essere elementi costitutivi ideali. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Lin Cong e un gruppo di ricerca in fisica quantistica, la microelettronica e i nanomateriali in Cina hanno dettagliato una matrice di bilanciamento torsionale su un chip con il più alto livello di sensibilità. Il team ha facilitato ciò utilizzando un nanotubo di carbonio come filo e un grafene monostrato rivestito con pellicole di alluminio come raggio e specchio. Utilizzando la configurazione sperimentale, Cong et al. misurato la forza femtonewton esercitata da un laser debole. Gli equilibri sul chip sono serviti come piattaforma ideale per studiare le interazioni fondamentali con precisione fino a zeptonewton.
Un ruolo moderno per strumenti scientifici antichi
Il pendolo di torsione è un antico strumento scientifico utilizzato per scoprire la legge di Coulomb nel 1785 e per determinare la densità della Terra nel 1798. Lo strumento è utile in una vasta gamma di applicazioni, comprese le esplorazioni scientifiche esistenti per determinare con precisione la costante gravitazionale. Il metodo più efficiente per ottenere un'elevata sensibilità nella configurazione consiste nel ridurre il più possibile il diametro della filettatura di sospensione. Ad esempio, nel 1931, Kappler et al. utilizzato un filo lungo centimetri per sviluppare un equilibrio di torsione altamente sensibile per stabilire un record per una sensibilità alla forza intrinseca finora non raggiunta. Attualmente, i nanotubi di carbonio formano uno dei materiali più resistenti e sottili conosciuti. In questo lavoro, il team ha sintetizzato nanotubi di carbonio (CNT) ultra lunghi e grafene di ampia superficie per aumentare sostanzialmente la lunghezza del fascio di equilibrio e del filo di sospensione per migliorare significativamente la sensibilità dello strumento. Il metodo di sviluppo del dispositivo era compatibile con l'elaborazione dei semiconduttori per l'incorporazione in un array 4x4 su un chip.
Il processo di fabbricazione della bilancia di torsione CNT. (A) Pellicola CNT superallineata bloccata su un foglio di grafene/Cu dopo l'infiltrazione di alcol. (B) Struttura a tre strati invertita CNT/grafene/Cu-foil che galleggia su una soluzione corrosiva. (C) GCF risciacquato con acqua deionizzata dopo aver inciso Cu via. (D) GCF trasferito su un substrato. (E) Striscia GCF tagliata al laser che funge da scheletro dello specchio. (F) Substrato assemblato con un singolo CNT. (G) Bilancia di torsione semilavorata con film di Al da 10 nm depositato su entrambi i lati della striscia GCF. (H) Equilibrio di torsione CNT ottenuto in definitiva tagliando le parti di collegamento. (I) Substrato di Si con una matrice 4 × 4 di bilance di torsione CNT fabbricate dopo la fase (E). Barra della scala, 5mm. Credito fotografico:Kaili Jiang, Università di Tsinghua. (J) Fotografia al microscopio ottico di una bilancia di torsione dopo aver completato il processo di fabbricazione. La linea tratteggiata indica la posizione del thread CNT. Barra della scala, 100 micron. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd2358 
Durante il processo di progettazione, Cong et al. selezionato un singolo nanotubo di carbonio con un diametro di pochi nanometri per formare il filo, per sospensione come fascio ultraleggero in grafene monostrato rivestito con pellicole di alluminio. Il momento di inerzia estremamente basso dello strumento ha ridotto il tempo di misurazione a meno di secondi a temperatura ambiente rispetto allo strumento Kappler, che ha richiesto ore. Il processo di sviluppo della matrice di bilanciamento di torsione ha incluso la formazione di un film CNT di grafene indipendente, quale Cong et al. trasferiti su un array di wafer di silicio prefabbricato. Gli scienziati hanno quindi trasferito un singolo nanotubo di carbonio (CNT) su un substrato ricoperto di grafene-CNT (GCF) come filo di sospensione. Hanno quindi depositato un sottile strato di alluminio su entrambi i lati del substrato per ottenere uno specchio ad alta riflettività e hanno rimosso parti del nanotubo di grafene-carbonio utilizzando un laser. In definitiva, lo specchio ultrasottile sembrava fluttuare nell'aria a causa dell'invisibilità del filo CNT al microscopio ottico.
La configurazione della misurazione ottica e i risultati di misurazione tipici della bilancia di torsione CNT #1. (A) Schema schematico del sistema di lettura ottica della bilancia di torsione. (B) Risposta dinamica dell'equilibrio di torsione alla pressione ottica di un raggio laser a una potenza di 4,86 μW (in alto) e i corrispondenti spettri di potenza della trasformata di Fourier veloce (FFT) (in basso; il cerchio nero rappresenta i dati FFT, e la linea rossa è il raccordo della curva). (C) Angoli di deflessione di equilibrio e frequenza contro la potenza del laser. La barra di errore del pannello superiore è ottenuta dalle statistiche su 10 misurazioni indipendenti. (D) Coppia in funzione della forza del fotone incidente. La lunghezza effettiva della leva nella misurazione è di 8,06 μm. La linea tratteggiata verde è la relazione teorica coppia-forza alla lunghezza totale della leva di L/2 =60 μm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd2358
Misure e caratterizzazione della sensibilità.
Per superare l'influenza delle correnti d'aria, Cong et al. ha sigillato la bilancia di torsione CNT in una camera a vuoto e ha aggiunto la camera a una workstation ottica con un isolatore a flusso laminare ad alte prestazioni per isolare le vibrazioni e il rumore meccanico dall'ambiente. Durante le misurazioni, gli scienziati hanno fermato la pompa a secco e la turbopompa del sistema e hanno mantenuto la pompa ionica solo per mantenere l'attività del vuoto. Per la misurazione ottica, il team ha focalizzato un raggio laser con una potenza di pochi microwatt per esercitare la pressione dei fotoni e far ruotare l'equilibrio di torsione con un piccolo angolo attorno al filo del nanotubo di carbonio (CNT). Hanno quindi misurato l'angolo indotto con un sensore di dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) line array per rilevare la posizione della luce riflessa. L'energia potenziale torsionale dello specchio concordava con i valori teorici previsti dalla teoria del moto browniano. Per comprendere le prestazioni della bilancia, Cong et al. ha condotto letture ottiche per 11 diverse potenze laser in 10 siti diversi. I valori medi delle frequenze di oscillazione torsionale non sono cambiati con la potenza del laser. Il bilancio di torsione dei nanotubi di carbonio potrebbe misurare la forza debole con risoluzione femtonewton, e la potenza del laser potrebbe essere ulteriormente ridotta per evitare deviazioni fuori portata. Ulteriori riduzioni della potenza del laser hanno gravemente influenzato la misurazione dell'angolo; i ricercatori suggeriscono quindi di utilizzare un secondo raggio laser di sondaggio per rilevare l'angolo di deflessione durante la misurazione delle forze sub-femtonewton esercitate da una luce laser più debole.
La mappa di confronto tra bilance torsionali CNT e bilance torsionali classiche. Oltre a visualizzare la costante torsionale misurata e la lunghezza del raggio L di ciascun esperimento, viene anche mostrata la sensibilità dell'apparato definita dall'angolo di deflessione prodotto da 1 N, che si ottiene da L/2κ. Le linee parallele colorate dall'azzurro al blu scuro indicano ordini di grandezza di sensibilità che vanno da 2 a 13. Gli esperimenti sono raggruppati e separati per colore secondo l'ordine di grandezza di sensibilità. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd2358
Veduta
In questo modo, Lin Cong e colleghi hanno fornito un metodo affidabile per facilitare il bilanciamento della torsione e renderlo attraente per le applicazioni su chip. Il team ha migliorato le prestazioni del bilanciamento di torsione del nanotubo di carbonio utilizzando un nanotubo di carbonio di piccolo diametro come filo di sospensione. La prevista risoluzione della forza di zeptonewton potrebbe battere il record dei risultati ottenuti a temperature ultrabasse come un importante passo avanti nel campo della misurazione della forza debole. L'angolo di torsione del nanotubo di carbonio può essere regolato continuamente per influenzare le proprietà di trasporto degli elettroni prodotte tramite deformazione torsionale in un'ampia gamma. Lo studio attuale è preliminare e può essere ulteriormente migliorato. Gli equilibri di tensione dei nanotubi di carbonio (CNT) su chip descritti in questo lavoro hanno offerto una risoluzione femtonewton basata su un singolo nanotubo di carbonio come filo di sospensione e un grafene-CNT alluminizzato (GCF) come trave di equilibrio e specchio. L'elevata sensibilità e la semplice fabbricazione della bilancia di torsione CNT consentiranno a nuove ricerche fondamentali di esplorare gli effetti deboli e determinare nuove leggi della fisica.
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