(Phys.org) - Los científicos suizos han desarrollado una sistema de medición opto-mecánico preciso que se puede incrustar en un chip de silicio. Esta nueva tecnología podría revolucionar el dominio de los sensores y la microscopía de fuerza atómica.

Los resonadores se utilizan para detectar cantidades infinitesimales de materia en la atmósfera. Así es como funciona:cuando una cuerda microscópica entra en contacto con una partícula o una molécula de gas, vibra. Cada tipo de molécula provoca una vibración específica, un poco como una nota en una cuerda de guitarra, dándole una firma única que se puede utilizar para identificar el gas o la partícula suspendida en el aire, incluso en cantidades minúsculas. Con los colegas Pierre Verlot y Emanuel Gavartin, El físico de EPFL Tobias Kippenberg ha dado un paso crítico hacia el desarrollo de sistemas más compactos, Sensores sensibles y precisos. El equipo ha publicado una descripción de su dispositivo, que se puede llevar a bordo de un solo chip, en el diario Nanotecnología de la naturaleza .

Un disco de luz

Los investigadores se encuentran actualmente en una carrera para miniaturizar resonadores. Esto tiene sentido, porque cuanto más pequeña es la cuerda, más fuertemente reaccionará cuando entre en contacto con una partícula, en otras palabras, cuanto más pequeño es el sensor, más sensible será. Con una cuerda de solo unos cientos de nanómetros de diámetro, el dispositivo desarrollado por Gavartin en colaboración con el Centro de Micronanotecnología (CMi) de EPFL es uno de los más sensibles que se puede operar a temperatura ambiente.

Los científicos utilizan un rayo láser que se dirige a un pequeño disco de vidrio para analizar las vibraciones de la cuerda. El rayo circula 1, 000 veces en apenas 2 nanosegundos, y luego sale del disco. La cuerda se coloca justo encima de esta pista de fotones, y cuando vibra, perturba el rayo. Al comparar la longitud de onda del láser cuando entra en el disco y cuando sale de él, los científicos pueden deducir los movimientos de la cuerda.

Sistema de enfriamiento virtual

El principal obstáculo al que se enfrentó el equipo fue un fenómeno físico conocido como “movimiento browniano”. Esto provoca vibraciones aleatorias en la cuerda que se amplifican con cada impacto y tardan una cierta cantidad de tiempo en extinguirse. Este fenómeno ralentiza significativamente las mediciones. Es un poco como si después de haber tocado una nota en una guitarra, había que esperar a que la cuerda dejara de vibrar antes de poder tocar la siguiente nota.

Esta dificultad generalmente se supera enfriando el sistema con helio, porque el movimiento browniano se reduce en gran medida a temperaturas ultra frías. Pero el equipo de la EPFL pudo desarrollar una técnica que disminuyó el movimiento browniano y aún permitió que el sistema permaneciera a temperatura ambiente. Un láser la "sonda, ”Detecta movimientos en la cuerda. La señal se procesa en tiempo real y se utiliza para modular un segundo láser, el "control, ”Que se inyecta en el disco para contrarrestar los efectos del movimiento browniano ejerciendo una contrafuerza sobre la cuerda. Es una especie de sistema de enfriamiento virtual.

Rápido, preciso y sencillo de usar

Usando esta técnica innovadora, los científicos pudieron reducir el tiempo entre mediciones 32 veces, mientras opera a aproximadamente 20 ° C. Este nivel de precisión es extraordinario. "Si en lugar de una cuerda, teníamos un puente de 100 m de largo, Pudimos, manteniendo todas las mismas proporciones, medir una deformación de un solo nanómetro, o una diezmilésima parte del diámetro de un cabello, en tiempo real, "Explica Verlot, quien fue coautor del artículo.

El sistema desarrollado en EPFL combina sensibilidad - gracias al tamaño del dispositivo - y rapidez - gracias al control láser - todo sin tener que recurrir a un complejo y costoso sistema de refrigeración. Completamente integrado en un chip de silicio, el sistema se presta a numerosas aplicaciones posibles, dice Verlot. “Los sensores no son la única área en la que nuestro sistema podría resultar útil. Por ejemplo, también podría ayudar a mejorar los sistemas de microscopía de fuerza atómica, inventados en la década de 1980 por el físico suizo Christoph Gerber, y a un nivel más fundamental, facilitar la observación y medición de muchos fenómenos ".