De torsiebalans bevat een stijve evenwichtsbalk opgehangen aan een fijne draad als een oud wetenschappelijk instrument dat tot op heden een zeer gevoelige krachtsensor blijft vormen. De krachtgevoeligheid is evenredig met de lengte van de balk en draad en omgekeerd evenredig met de vierde macht van de diameter van de draad; daarom zouden nanomaterialen die de torsiebalansen ondersteunen, ideale bouwstenen moeten zijn. In een nieuw rapport nu gepubliceerd op Science AdvancesHebben Lin Cong en een onderzoeksteam in de kwantumfysica, micro-elektronica en nanomaterialen in China een torsiebalansarray gedetailleerd op een chip met het hoogste gevoeligheidsniveau. Het team faciliteerde dit door een koolstofnanobuis als draad te gebruiken en een monolaag grafeen bedekt met aluminiumfilms als straal en spiegel. Met behulp van de experimentele opstelling, Cong et al. gemeten de femtonewton-kracht uitgeoefend door een zwakke laser. De saldi op de chip dienden als een ideaal platform om fundamentele interacties tot zeptonewton in nauwkeurigheid.
Een moderne rol voor oude wetenschappelijke instrumenten
De torsie slinger is een oud wetenschappelijk instrument dat wordt gebruikt ontdek de wet van Coulomb in 1785 en om de dichtheid van de aarde in 1798 Het instrument is bruikbaar voor een reeks toepassingen, waaronder bestaande wetenschappelijke verkenningen van exact het bepalen van de gravitatieconstante De meest efficiënte methode om een hoge gevoeligheid in de opstelling te bereiken, is door de diameter van de ophangdraad zo veel mogelijk te verkleinen. Bijvoorbeeld, in 1931, Kappler et al. gebruikte een centimeters lange draad om een zeer gevoelige torsiebalans te ontwikkelen om een record te vestigen voor een tot nu toe onbereikbare intrinsieke krachtgevoeligheid. Momenteel vormen koolstofnanobuisjes een van de sterkste en dunste materialen die we kennen. In dit werk heeft het team ultra-lang gesynthetiseerd koolstof nanobuisjes (CNT’s) en grafeen met een groot oppervlak om de lengte van de evenwichtsbalk en de ophangdraad aanzienlijk te vergroten om de gevoeligheid van het instrument aanzienlijk te verbeteren. De apparaatontwikkelingsmethode was compatibel met halfgeleiderverwerking voor opname in een 4 bij 4 array op een chip.
Ontwerpen en ontwikkelen van de array torsiebalans en torsiebalans
Tijdens het ontwerpproces hebben Cong et al. selecteerde een individuele koolstof nanobuis met een diameter van enkele nanometers om de draad te vormen, voor suspensie als een ultralichte straal gemaakt van monolaag grafeen bedekt met aluminium films. Het extreem lage traagheidsmoment van het instrument verminderde de meettijd tot minder dan seconden bij kamertemperatuur in vergelijking met het Kappler-instrument, dat uren in beslag nam. Het ontwikkelingsproces van de torsiebalans-array omvatte de vorming van een vrijstaande grafeen CNT-film, die Cong et al. overgebracht op een geprefabriceerde reeks van siliciumwafels. De wetenschappers brachten vervolgens een individuele koolstofnanobuis (CNT) over naar een met grafeen-CNT (GCF) bedekt substraat als een ophangdraad. Vervolgens plaatsten ze een dunne laag aluminium op beide zijden van het substraat om een spiegel met een hoge reflectiviteit te verkrijgen en verwijderden ze delen van de grafeen-koolstof nanobuis met behulp van een laser. Uiteindelijk leek de ultradunne spiegel in de lucht te zweven vanwege de onzichtbaarheid van de CNT-draad onder een optische microscoop.
Metingen en karakterisering van de gevoeligheid.
Om de invloed van luchtstromen te overwinnen, stellen Cong et al. verzegelde de CNT-torsiebalans in een vacuümkamer en voegde de kamer toe aan een optisch werkstation met een hoogwaardige laminaire stroomisolator om de trillingen en mechanische geluiden van de omgeving te isoleren. Tijdens de metingen stopten de wetenschappers de droge pomp en de turbopomp van het systeem en hielden ze alleen de ionenpomp in stand om de vacuümactiviteit te behouden. Voor de optische meting richtte het team een laserstraal met een kracht van enkele microwatts om fotondruk uit te oefenen en ervoor te zorgen dat de torsiebalans onder een kleine hoek rond de koolstof nanobuis (CNT) -draad draait. Vervolgens maten ze de geïnduceerde hoek met een line array ladingsgekoppeld apparaat (CCD) sensor om de positie van het gereflecteerde licht te detecteren. De potentiële torsie-energie van de spiegel kwam overeen met de theoretische waarden voorspeld door de Brownse bewegingstheorie Om de prestatie van de balans te begrijpen, stellen Cong et al. voerde optische uitlezingen uit voor 11 verschillende laservermogens op 10 verschillende locaties. De gemiddelde waarden van de torsie-oscillatiefrequenties veranderden niet met het laservermogen. De torsiebalans van koolstofnanobuisjes zou de zwakke kracht kunnen meten met een resolutie van femtonewton, en het laservermogen zou verder kunnen worden verminderd om doorbuigingen buiten het bereik te voorkomen. Verdere verminderingen van het laservermogen hadden een ernstige invloed op de hoekmeting; De onderzoekers stellen daarom voor om een tweede sonderende laserstraal te gebruiken om de afbuigingshoek te detecteren bij het meten van sub-femtonewton-krachten die worden uitgeoefend door een zwakker laserlicht.
Outlook
Op deze manier boden Lin Cong en collega’s een betrouwbare methode om torsiebalans te vergemakkelijken en het aantrekkelijk te maken voor on-chip-toepassingen. Het team verbeterde de prestaties van de torsiebalans van koolstofnanobuisjes met behulp van een koolstofnanobuisje met een kleine diameter als ophangdraad. De verwachte resolutie van de zeptonewton-kracht zou het record van resultaten die bij ultralage temperatuur zijn verkregen, kunnen breken als een belangrijke doorbraak op het gebied van het meten van zwakke kracht. De torsiehoek van de koolstofnanobuis kan continu worden aangepast om de elektronentransporteigenschappen geproduceerd via torsiebelasting over een breed bereik te beïnvloeden. De huidige studie is voorlopig en kan verder worden verbeterd. De spanningsbalansen van koolstof nanobuisjes (CNT) op de chip die in dit werk worden beschreven, boden een femtonewton-resolutie op basis van een individuele koolstofnanobuis als de ophangdraad en een gealuminiseerd grafeen-CNT (GCF) als de evenwichtsbalk en spiegel. De hoge gevoeligheid en eenvoudige fabricage van de CNT-torsiebalans zal nieuw fundamenteel onderzoek toelaten om zwakke effecten te onderzoeken en nieuwe fysische wetten te bepalen.
Cong C. et al. On-chip torsiebalansen met femtonewton-krachtresolutie bij kamertemperatuur mogelijk gemaakt door koolstofnanobuisjes en grafeen, Science Advances, 10.1126 / sciadv.abd2358
Cavendish H. et al. Experimenten om de dichtheid van de aarde te bepalen, Royal Society, Philosophical Transactions, doi.org/10.1098/rstl.1798.0022
Li Q. et al. Metingen van de gravitatieconstante met behulp van twee onafhankelijke methoden. Natuur doi.org/10.1038/s41586-018-0431-5
Science Advances
Natuur