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  • O sensor mede as forças de yoctonewton rapidamente
    p O sensor de força NIST é um cristal de íons (átomos carregados) preso dentro da região superior do cilindro de cobre. Um feixe de laser direcionado para cima através da armadilha resfria os íons. Uma força é aplicada na forma de um campo elétrico oscilante, e um detector (não mostrado) mede a luz refletida nos íons. Crédito:Bollinger / NIST

    p (PhysOrg.com) - Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia usaram um pequeno cristal de íons (átomos eletricamente carregados) para detectar forças na escala de yoctonewtons. Medições de forças leves - um yoctonewton é equivalente ao peso de um único átomo de cobre na Terra - podem ser úteis em microscopia de força, ciência em nanoescala, e testes de teorias físicas fundamentais. p Um newton já é uma pequena unidade:aproximadamente a força da gravidade da Terra em uma pequena maçã. Um yoctonewton é um septilionésimo de um newton (yocto significa 23 zeros após a casa decimal, ou 0,000000000000000000000001).

    p As medições de forças sumamente pequenas são normalmente feitas com minúsculos osciladores mecânicos, que vibram como cordas de violão. O novo sensor NIST, descrito em Nature Nanotechnology , * é ainda mais exótico - um cristal plano de cerca de 60 íons de berílio aprisionado dentro de uma câmara de vácuo por campos eletromagnéticos e resfriado a 500 milionésimos de grau acima do zero absoluto com um laser ultravioleta. O aparelho foi desenvolvido nos últimos 15 anos para experimentos relacionados a plasmas iônicos e computação quântica. Nesse caso, foi usado para medir forças na escala de yoctonewton a partir de um campo elétrico aplicado. Em particular, o experimento mostrou que era possível medir cerca de 390 yoctonewtons em apenas um segundo de tempo de medição, uma velocidade rápida que indica a alta sensibilidade da técnica. A sensibilidade é uma vantagem para aplicações práticas.

    p O registro de medição de força anterior com este nível de sensibilidade foi alcançado por outro físico do NIST que mediu as forças 1, 000 vezes maior, ou 500 zeptonewtons (0,0000000000000000005 newtons) em um segundo de tempo de medição usando um oscilador mecânico. ** Pesquisas anteriores do NIST indicaram que um único íon aprisionado poderia sentir forças em escalas de yoctonewton, mas não fazia medições calibradas. ***

    p O sensor de íons descrito em Nature Nanotechnology funciona examinando como uma força aplicada afeta o movimento do íon, com base nas mudanças na luz do laser refletida nos íons. Um pequeno campo elétrico oscilante aplicado ao cristal faz com que os íons balancem para frente e para trás; como os íons balançam, a intensidade da luz do laser refletida oscila em sincronia com o movimento do íon. Uma mudança na quantidade de luz laser refletida devido à força é detectável, fornecer uma medida do movimento induzido pelos íons usando um princípio semelhante ao que ocorre no radar de um policial. A técnica é altamente sensível devido à baixa massa dos íons, forte resposta de partículas carregadas a campos elétricos externos, e capacidade de detectar mudanças em escala nanométrica no movimento do íon.


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