p Os sensores sensíveis devem ser isolados de seu ambiente o máximo possível para evitar distúrbios. Cientistas da ETH Zurich agora demonstraram como remover e adicionar cargas elementares a uma nanosfera que pode ser usada para medir forças extremamente fracas. p Uma minúscula esfera e um feixe de laser dentro do qual ela paira como por mágica - com esses ingredientes simples, Martin Frimmer e colegas de trabalho do Laboratório de Fotônica de ETH Zurique desenvolveram um sensor altamente sensível. No futuro, este dispositivo deverá medir, entre outras coisas, forças extremamente fracas ou campos elétricos com muita precisão. Agora, os pesquisadores deram um grande passo nessa direção, como eles escrevem em um artigo científico publicado recentemente.

p Nanosfera em um feixe de laser

p Martin Frimmer, pesquisador de pós-doutorado no grupo do professor da ETH Lukas Novotny, explica o princípio de funcionamento de um sensor de forma muito plausível:"Primeiro, preciso saber como o objeto que atua como sensor é influenciado por seu ambiente. Qualquer coisa que aconteça além dessa influência me diz:há uma força em ação." Na prática, isso geralmente significa que as interações com o ambiente devem ser mantidas no mínimo, a fim de maximizar a sensibilidade do sensor às forças que se deseja medir.

p Os cientistas conseguiram exatamente isso prendendo uma nanopartícula de sílica, cujo diâmetro é cerca de cem vezes menor que um fio de cabelo humano, usando um feixe de laser focalizado. O feixe cria "pinças ópticas" nas quais a nanosfera é mantida no foco do feixe pelas forças da luz. Se uma força adicional atua na esfera, é deslocado de sua posição de repouso, que por sua vez pode ser medido com a ajuda de um feixe de laser.

p Descarregando por alta tensão

p Uma vez que as pinças ópticas mantêm a nanosfera pairando no ar sem qualquer contato mecânico, a influência do meio ambiente pode ser facilmente reduzida ao mínimo. Para fazer isso, Frimmer e sua equipe colocam as pinças ópticas dentro de uma câmara de vácuo para que virtualmente não haja mais colisões com as moléculas de ar. A única coisa que resta agora que pode criar um distúrbio é uma possível carga elétrica na nanopartícula. Devido a tal cobrança, campos elétricos insuficientemente protegidos podem influenciar a esfera e, Portanto, uma medição possível. Por esta razão, os pesquisadores da ETH desenvolveram um método simples, mas altamente eficiente, pelo qual a carga na esfera pode ser neutralizada.

p Para isso, eles montaram um fio dentro da câmara de vácuo que foi conectado a um gerador de alta tensão de 7000 volts. A alta tensão fez com que as moléculas de ar fossem ionizadas, ou seja, para ser dividido em elétrons carregados negativamente e íons carregados positivamente. Qualquer um deles poderia agora saltar para a nanosfera e tornar sua carga mais positiva ou mais negativa.

p Para medir a carga transportada pela esfera em qualquer momento, os físicos o expuseram a um campo elétrico oscilante e observaram quão fortemente a esfera reagia a isso. Desta forma, eles foram capazes de confirmar que a carga da esfera mudou em etapas de exatamente uma carga elementar (ou seja, carga de um elétron) para o negativo ou para o positivo. Quando a alta tensão é desligada, a carga instantânea da esfera permanece constante por dias.

p Gravidade e mecânica quântica

p Esse controle perfeito permite que os cientistas neutralizem completamente a carga elétrica da nanopartícula. Como resultado, campos elétricos não têm mais efeito na esfera, o que torna possível medir com precisão outras forças muito fracas. Uma dessas forças é a gravidade. Martin Frimmer especula, embora com cautela, que no futuro o nano-sensor que ele desenvolveu deve permitir estudos da interação entre a gravidade e a mecânica quântica.

p Com a manipulação inteligente das pinças ópticas, os pesquisadores já podem resfriar a esfera abaixo de um décimo milésimo de grau acima do zero absoluto. Para temperaturas ainda mais baixas, espera-se que a nanopartícula comece a se comportar mecanicamente quântica, de modo que fenômenos como superposições quânticas e sua dependência da gravidade podem ser observados.

p Aplicações interessantes do sensor também se apresentam em contextos cotidianos, como a medição das acelerações. Uma vez que a carga da nanosfera não pode ser apenas neutralizada, mas também definido como um valor bem definido à vontade, o sensor é igualmente adequado para medições precisas de campos elétricos.