I sensori sensibili devono essere isolati il ​​più possibile dal loro ambiente per evitare disturbi. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno ora dimostrato come rimuovere e aggiungere cariche elementari a una nanosfera che può essere utilizzata per misurare forze estremamente deboli.

Una minuscola sfera e un raggio laser all'interno del quale si libra come per magia:con questi semplici ingredienti Martin Frimmer e i collaboratori del Laboratorio di fotonica dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un sensore altamente sensibile. In futuro questo dispositivo dovrebbe misurare, tra le altre cose, forze estremamente deboli o campi elettrici molto precisi. Ora i ricercatori hanno compiuto un passo importante in quella direzione, come scrivono in un articolo scientifico pubblicato di recente.

Nanosfera in un raggio laser

Martin Frimmer, un ricercatore post-dottorato nel gruppo del professore dell'ETH Lukas Novotny, spiega il principio di funzionamento di un sensore in modo molto plausibile:"Prima devo sapere come l'oggetto che funge da sensore è influenzato dal suo ambiente. Tutto ciò che accade oltre quell'influenza mi dice:c'è una forza all'opera". In pratica questo significa solitamente che le interazioni con l'ambiente dovrebbero essere ridotte al minimo per massimizzare la sensibilità del sensore alle forze che si vogliono misurare.

Gli scienziati hanno ottenuto proprio questo intrappolando una nanoparticella di silice, il cui diametro è circa cento volte più piccolo di un capello umano, utilizzando un raggio laser focalizzato. Il raggio crea "pinzette ottiche" in cui la nanosfera è trattenuta nel fuoco del raggio da forze luminose. Se una forza aggiuntiva agisce sulla sfera, è spostato dalla sua posizione di riposo, che a sua volta può essere misurato con l'aiuto di un raggio laser.

Scarica ad alta tensione

Poiché le pinzette ottiche mantengono la nanosfera sospesa a mezz'aria senza alcun contatto meccanico, l'influenza dell'ambiente può essere facilmente ridotta al minimo. Fare così, Frimmer e il suo team posizionano le pinzette ottiche all'interno di una camera a vuoto in modo che non ci siano praticamente più collisioni con le molecole d'aria. L'unica cosa rimasta ora che potrebbe creare un disturbo è una possibile carica elettrica sulla nanoparticella. A causa di tale addebito, campi elettrici non sufficientemente schermati potrebbero influenzare la sfera e, perciò, una possibile misura. Per questo motivo i ricercatori dell'ETH hanno ora sviluppato un metodo semplice ma altamente efficiente mediante il quale è possibile neutralizzare la carica sulla sfera.

A tal fine hanno montato un filo all'interno della camera a vuoto che è stato collegato a un generatore di alta tensione da 7000 volt. L'alta tensione ha causato la ionizzazione delle molecole d'aria, cioè., essere scisso in elettroni con carica negativa e ioni con carica positiva. Entrambi potrebbero ora saltare sulla nanosfera e rendere la sua carica più positiva o più negativa.

Per misurare la carica portata dalla sfera in un dato momento, i fisici lo esposero a un campo elettrico oscillante e osservarono con quanta forza la sfera reagiva a questo. In questo modo sono stati in grado di confermare che la carica della sfera è cambiata in passi di esattamente una carica elementare (cioè, la carica di un elettrone) al negativo o al positivo. Quando l'alta tensione è disattivata, la carica istantanea della sfera rimane costante per giorni.

Gravità e meccanica quantistica

Questo controllo perfetto consente agli scienziati di neutralizzare completamente la carica elettrica sulla nanoparticella. Di conseguenza, i campi elettrici non hanno più alcun effetto sulla sfera, che permette di misurare con precisione altre forze molto deboli. Una di queste forze è la gravità. Martin Frimmer ipotizza, anche se con cautela, che in futuro il nanosensore da lui sviluppato dovrebbe consentire studi sull'interazione tra gravità e meccanica quantistica.

Con un'abile manipolazione delle pinzette ottiche, i ricercatori possono già raffreddare la sfera fino a un decimillesimo di grado sopra lo zero assoluto. Per temperature ancora più basse si prevede che la nanoparticella inizi a comportarsi in modo quantistico, in modo che si possano osservare fenomeni come le sovrapposizioni quantistiche e la loro dipendenza dalla gravità.

Interessanti applicazioni del sensore si presentano anche in contesti quotidiani, come la misura delle accelerazioni. Poiché la carica della nanosfera non può essere solo neutralizzata, ma anche impostato su un valore ben definito a piacimento, il sensore è ugualmente adatto per misure di precisione di campi elettrici.