(Phys.org) -- Gli scienziati svizzeri hanno sviluppato un rapido, preciso sistema di misurazione opto-meccanico che può essere incorporato in un chip di silicio. Questa nuova tecnologia potrebbe rivoluzionare il dominio dei sensori e della microscopia a forza atomica.

I risonatori vengono utilizzati per rilevare quantità infinitesimali di materia nell'atmosfera. Ecco come funziona:quando una stringa microscopica entra in contatto con una particella o una molecola di gas, vibra. Ogni tipo di molecola suscita una vibrazione specifica, un po' come una nota sulla corda di una chitarra, conferendogli una firma univoca che può essere utilizzata per identificare il gas o la particella sospesa nell'aria, anche in quantità minuscole. Con i colleghi Pierre Verlot ed Emanuel Gavartin, Il fisico dell'EPFL Tobias Kippenberg ha compiuto un passo fondamentale verso lo sviluppo di dispositivi più compatti, sensori sensibili e precisi. Il team ha pubblicato una descrizione del proprio dispositivo, che può essere trasportato a bordo di un singolo chip, nel diario Nanotecnologia della natura .

Un disco di luce

I ricercatori sono attualmente in corsa per miniaturizzare i risonatori. Questo ha senso, perché più piccola è la corda, più fortemente reagirà quando entrerà in contatto con una particella - in altre parole, più piccolo è il sensore, più sarà sensibile. Con una corda di poche centinaia di nanometri di diametro, il dispositivo sviluppato da Gavartin in collaborazione con il Centro di Micronanotecnologia (CMi) dell'EPFL è uno dei più sensibili che possono essere utilizzati a temperatura ambiente.

Gli scienziati usano un raggio laser diretto in un minuscolo disco di vetro per analizzare le vibrazioni della corda. Il raggio circola 1, 000 volte in appena 2 nanosecondi, e poi esce dal disco. La stringa è posizionata appena sopra questa traccia di fotoni, e quando vibra, perturba il raggio. Confrontando la lunghezza d'onda del laser quando entra nel disco e quando ne esce, gli scienziati possono dedurre i movimenti della corda.

Sistema di raffreddamento virtuale

L'ostacolo principale che la squadra ha dovuto affrontare è stato un fenomeno fisico noto come "movimento browniano". Questo fenomeno rallenta notevolmente le misurazioni. È un po' come se, dopo aver suonato una nota di chitarra, bisognava aspettare che la corda smettesse di vibrare prima di poter suonare la nota successiva.

Questa difficoltà viene tipicamente superata raffreddando il sistema con elio, perché il moto browniano è notevolmente ridotto a temperature ultra-fredde. Ma il team dell'EPFL è stato in grado di sviluppare una tecnica che riduceva il moto browniano e permetteva comunque al sistema di rimanere a temperatura ambiente. un laser, la “sonda, ” rileva i movimenti nella stringa. Il segnale viene elaborato in tempo reale e utilizzato per modulare un secondo laser, il “controllo, ” che viene iniettato nel disco per contrastare gli effetti del moto browniano esercitando una forza contraria sulla corda. È una specie di sistema di raffreddamento virtuale.

Rapido, preciso e semplice da usare

Utilizzando questa tecnica innovativa, gli scienziati sono stati in grado di ridurre di 32 volte il tempo tra le misurazioni, durante il funzionamento a circa 20 °C. Questo livello di precisione è straordinario. “Se invece di una stringa, avevamo un ponte lungo 100 metri, potremmo, mantenendo tutte le stesse proporzioni, misurare una deformazione di un singolo nanometro, o un decimillesimo del diametro di un capello, in tempo reale, ” spiega Verlot, che era un coautore della carta.

Il sistema sviluppato all'EPFL unisce sensibilità – grazie alle dimensioni del dispositivo – e rapidità – grazie al laser di controllo – il tutto senza dover ricorrere a un complesso e costoso sistema di raffreddamento. Completamente integrato in un chip di silicio, il sistema si presta a numerose possibili applicazioni, dice Verlot. “I sensori non sono l'unica area in cui il nostro sistema potrebbe rivelarsi utile. Per esempio, potrebbe anche aiutare a migliorare i sistemi di microscopia a forza atomica - inventati negli anni '80 dal fisico svizzero Christoph Gerber - e, a un livello più fondamentale, facilitare l'osservazione e la misurazione di molti fenomeni”.