Lo schema mostra la luce laser che interagisce con un risonatore a gap plasmonico, un dispositivo in miniatura progettato al NIST per misurare con una precisione senza precedenti i movimenti su scala nanometrica delle nanoparticelle. Un raggio laser incidente (raggio rosa a sinistra) colpisce il risonatore, che consiste di due strati d'oro separati da un traferro. Lo strato superiore d'oro è incorporato in una serie di minuscoli cantilever (viola), dispositivi vibranti che ricordano un trampolino in miniatura. Quando un cantilever si muove, cambia la larghezza del traferro, quale, a sua volta, cambia l'intensità della luce laser riflessa dal risonatore. La modulazione della luce rivela lo spostamento del minuscolo cantilever. Credito:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo dispositivo che misura il movimento di particelle minuscole che attraversano distanze quasi inimmaginabilmente piccole, inferiori al diametro di un atomo di idrogeno, o meno di un milionesimo della larghezza di un capello umano. Non solo il dispositivo portatile può rilevare il movimento su scala atomica delle sue minuscole parti con una precisione senza precedenti, ma i ricercatori hanno escogitato un metodo per produrre in serie lo strumento di misurazione altamente sensibile.
È relativamente facile misurare piccoli movimenti di oggetti di grandi dimensioni ma molto più difficile quando le parti mobili sono sulla scala dei nanometri, o miliardesimi di metro. La capacità di misurare con precisione piccoli spostamenti di corpi microscopici ha applicazioni nel rilevamento di tracce di agenti biologici o chimici pericolosi, perfezionando il movimento di robot in miniatura, dispiegando accuratamente gli airbag e rilevando onde sonore estremamente deboli che viaggiano attraverso pellicole sottili.
I fisici del NIST Brian Roxworthy e Vladimir Aksyuk descrivono il loro lavoro nel 6 dicembre, 2016, Comunicazioni sulla natura .
I ricercatori hanno misurato il movimento su scala subatomica in una nanoparticella d'oro. Lo hanno fatto progettando un piccolo traferro, circa 15 nanometri di larghezza, tra la nanoparticella d'oro e un foglio d'oro. Questo spazio è così piccolo che la luce laser non può penetrarlo.
Però, i plasmoni di superficie energizzati dalla luce:il collettivo, moto ondulatorio di gruppi di elettroni confinati a viaggiare lungo il confine tra la superficie dell'oro e l'aria.
Queste micrografie ottiche forniscono una vista dall'alto verso il basso di diversi risonatori gap plasmonici e zoomano su un singolo dispositivo. In basso a destra mostra lo schema di un singolo dispositivo. Credito:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
I ricercatori hanno sfruttato la lunghezza d'onda della luce, la distanza tra i picchi successivi dell'onda luminosa. Con la giusta scelta della lunghezza d'onda, o equivalente, la sua frequenza, la luce laser fa oscillare avanti e indietro plasmoni di una particolare frequenza, o risuonare, lungo il divario, come il riverbero di una corda di chitarra pizzicata. Nel frattempo, mentre la nanoparticella si muove, cambia la larghezza del gap e, come accordare una corda di chitarra, cambia la frequenza con cui risuonano i plasmoni.
L'interazione tra la luce laser e i plasmoni è fondamentale per rilevare piccoli spostamenti da particelle su nanoscala, nota Aksyuk. La luce non può rilevare facilmente la posizione o il movimento di un oggetto più piccolo della lunghezza d'onda del laser, ma convertire la luce in plasmoni supera questa limitazione. Poiché i plasmoni sono confinati nel minuscolo spazio vuoto, sono più sensibili della luce per rilevare il movimento di piccoli oggetti come le nanoparticelle d'oro.
La quantità di luce laser riflessa dal dispositivo plasmon rivela l'ampiezza del gap e il movimento della nanoparticella. supponiamo, Per esempio, che il gap cambia, a causa del movimento della nanoparticella, in modo tale che la frequenza naturale, o risonanza, dei plasmoni corrisponde maggiormente alla frequenza della luce laser. In quel caso, i plasmoni sono in grado di assorbire più energia dalla luce laser, e viene riflessa meno luce.
Per utilizzare questa tecnica di rilevamento del movimento in un dispositivo pratico, Aksyuk e Roxworthy hanno incorporato la nanoparticella d'oro in una struttura meccanica su scala microscopica:un cantilever vibrante, una specie di trampolino in miniatura, lungo pochi micrometri, in nitruro di silicio. Anche quando non sono messi in moto, tali dispositivi non stanno mai perfettamente fermi, ma vibra ad alta frequenza, spinti dal movimento casuale delle loro molecole a temperatura ambiente. Anche se l'ampiezza della vibrazione era minuscola, spostandosi a distanze subatomiche, era facile da rilevare con la nuova tecnica plasmonica. Simile, sebbene in genere più grande, le strutture meccaniche sono comunemente utilizzate sia per misurazioni scientifiche che per sensori pratici; Per esempio, rilevamento del movimento e dell'orientamento in auto e smartphone. Gli scienziati del NIST sperano che il loro nuovo modo di misurare il movimento su scala nanometrica aiuterà a miniaturizzare e migliorare ulteriormente le prestazioni di molti di questi sistemi micromeccanici.
"Questa architettura apre la strada a progressi nel rilevamento nanomeccanico, " scrivono i ricercatori. "Possiamo rilevare piccoli movimenti in modo più locale e preciso con questi risonatori plasmonici rispetto a qualsiasi altro modo per farlo, " disse Aksyuk.
L'approccio di fabbricazione del team consente la produzione di circa 25, 000 dei dispositivi su un chip di computer, con ogni dispositivo su misura per rilevare il movimento in base alle esigenze del produttore.
