(Phys.org) - Cientistas suíços desenvolveram um rápido, sistema de medição opto-mecânico preciso que pode ser embutido em um chip de silício. Esta nova tecnologia pode revolucionar o domínio dos sensores e da microscopia de força atômica.

Os ressonadores são usados ​​para detectar quantidades infinitesimais de matéria na atmosfera. É assim que funciona:quando uma corda microscópica entra em contato com uma partícula ou molécula de gás, ele vibra. Cada tipo de molécula provoca uma vibração específica, um pouco como uma nota em uma corda de violão, dando-lhe uma assinatura única que pode ser usada para identificar o gás ou partícula suspensa no ar, mesmo em quantidades minúsculas. Com os colegas Pierre Verlot e Emanuel Gavartin, O físico da EPFL Tobias Kippenberg deu um passo crítico para um desenvolvimento mais compacto, sensores sensíveis e precisos. A equipe publicou uma descrição de seu dispositivo, que pode ser transportado a bordo de um único chip, no jornal Nature Nanotechnology .

Um disco de luz

Os pesquisadores estão atualmente em uma corrida para miniaturizar os ressonadores. Isso faz sentido, porque quanto menor a corda, mais fortemente ele reagirá quando entrar em contato com uma partícula - em outras palavras, quanto menor o sensor, mais sensível será. Com uma corda que tem apenas algumas centenas de nanômetros de diâmetro, o dispositivo desenvolvido por Gavartin em colaboração com o Centro de Micronanotecnologia (CMi) da EPFL é um dos mais sensíveis que podem ser operados em temperatura ambiente.

Os cientistas usam um feixe de laser que é direcionado a um minúsculo disco de vidro para analisar as vibrações da corda. O feixe circula 1, 000 vezes em apenas 2 nanossegundos, e, em seguida, sai do disco. A corda é colocada logo acima desta trilha de fótons, e quando vibra, perturba o feixe. Ao comparar o comprimento de onda do laser quando ele entra e quando sai do disco, os cientistas podem deduzir os movimentos da corda.

Sistema de refrigeração virtual

O principal obstáculo que a equipe enfrentou foi um fenômeno físico conhecido como “movimento browniano”. Isso causa vibrações aleatórias na corda que se amplificam a cada impacto e levam um certo tempo para morrer. Este fenômeno retarda significativamente as medições. É um pouco como se, depois de tocar uma nota no violão, era preciso esperar que a corda parasse de vibrar antes que a próxima nota pudesse ser tocada.

Esta dificuldade é normalmente superada pelo resfriamento do sistema usando hélio, porque o movimento browniano é bastante reduzido em temperaturas ultra-frias. Mas a equipe da EPFL conseguiu desenvolver uma técnica que diminuiu o movimento browniano e ainda permitiu que o sistema permanecesse em temperatura ambiente. Um laser, a “sonda, ”Detecta movimentos na corda. O sinal é processado em tempo real e usado para modular um segundo laser, o “controle, ”Que é injetado no disco para neutralizar os efeitos do movimento browniano, exercendo uma contraforça na corda. É uma espécie de sistema de resfriamento virtual.

Rápido, preciso e simples de usar

Usando esta técnica inovadora, os cientistas conseguiram reduzir o tempo entre as medições em 32 vezes, durante a operação a cerca de 20 ° C. Este nível de precisão é extraordinário. “Se em vez de uma corda, tínhamos uma ponte de 100 m de comprimento, poderíamos, mantendo todas as mesmas proporções, medir a deformação de um único nanômetro, ou um décimo milésimo do diâmetro de um fio de cabelo, em tempo real, ”Explica Verlot, que foi co-autor do artigo.

O sistema desenvolvido na EPFL combina sensibilidade - graças ao tamanho do aparelho - e rapidez - graças ao laser de controle - tudo sem a necessidade de recorrer a um complexo e caro sistema de resfriamento. Completamente integrado em um chip de silício, o sistema se presta a inúmeras aplicações possíveis, diz Verlot. “Os sensores não são a única área em que nosso sistema pode ser útil. Por exemplo, também poderia ajudar a melhorar os sistemas de microscopia de força atômica - inventado na década de 1980 pelo físico suíço Christoph Gerber - e, em um nível mais fundamental, facilitar a observação e medição de muitos fenômenos. ”