Относительно легко измерить небольшие движения больших объектов, но намного сложнее, когда движущиеся части имеют масштаб нанометров или миллиардных долей метра. Способность точно измерять крошечные смещения микроскопических тел находит применение в обнаружении следовых количеств опасных биологических или химических агентов, совершенствовании движения миниатюрных роботов, точном развертывании подушек безопасности и обнаружении чрезвычайно слабых звуковых волн, проходящих через тонкие пленки.
Физики NIST Брайан Роксуорти и Владимир Аксюк описывают свою работу в журнале Nature Communications от 6 декабря 2016 года.Исследователи измерили движение золотой наночастицы на субатомном уровне.
Они сделали это, создав небольшой воздушный зазор шириной около 15 нанометров между золотой наночастицей и золотым листом. Этот зазор настолько мал, что лазерный луч не может проникнуть в него.Однако свет заряжает поверхностные плазмоны — коллективное волнообразное движение групп электронов, перемещающихся вдоль границы между поверхностью золота и воздухом.
Исследователи использовали длину световой волны, расстояние между последовательными пиками световой волны. При правильном выборе длины волны или, что эквивалентно, ее частоты, лазерный свет заставляет плазмоны определенной частоты колебаться назад и вперед или резонировать вдоль зазора, как реверберация гитарной струны.Между тем, когда наночастица перемещается, она изменяет ширину зазора и, подобно настройке гитарной струны, изменяет частоту, на которой резонируют плазмоны.«Взаимодействие между лазерным светом и плазмонами имеет решающее значение для обнаружения крошечных смещений наноразмерных частиц», — отмечает Аксюк.
Свет не может легко обнаружить местоположение или движение объекта, длина которого меньше длины волны лазера, но преобразование света в плазмоны преодолевает это ограничение. Поскольку плазмоны ограничены крошечной щелью, они более чувствительны, чем свет, для обнаружения движения небольших объектов, таких как золотая наночастица.Количество лазерного света, отраженного обратно от плазмонного устройства, показывает ширину зазора и движение наночастицы. Предположим, например, что зазор изменяется — из-за движения наночастицы — таким образом, что собственная частота или резонанс плазмонов более точно соответствует частоте лазерного излучения.
В этом случае плазмоны могут поглощать больше энергии лазерного света, и меньше света отражается.Чтобы использовать эту технику определения движения в практическом устройстве, Аксюк и Роксуорти встроили золотую наночастицу в механическую структуру микроскопического размера — вибрирующий кантилевер, своего рода миниатюрную доску для прыжков в воду — длиной в несколько микрометров, сделанный из кремния. нитрид. Даже когда они не приводятся в движение, такие устройства никогда не сидят совершенно неподвижно, а вибрируют с высокой частотой, сталкиваясь с беспорядочным движением их молекул при комнатной температуре.
Несмотря на то, что амплитуда вибрации была крошечной — подвижные субатомные расстояния — ее было легко обнаружить с помощью новой плазмонной техники. Подобные, хотя обычно более крупные, механические конструкции обычно используются как для научных измерений, так и для практических датчиков; например, обнаружение движения и ориентации в автомобилях и смартфонах. Ученые NIST надеются, что их новый способ измерения движения на наномасштабе поможет еще больше миниатюризировать и улучшить производительность многих таких микромеханических систем.
«Эта архитектура открывает путь к развитию наномеханического зондирования», — пишут исследователи. «С помощью этих плазмонных резонаторов мы можем обнаруживать крошечные движения более локально и точно, чем каким-либо другим способом», — сказал Аксюк.Подход команды к изготовлению позволяет производить около 25 000 устройств на компьютерном чипе, причем каждое устройство приспособлено для обнаружения движения в соответствии с потребностями производителя.