Los sensores sensibles deben aislarse de su entorno tanto como sea posible para evitar perturbaciones. Los científicos de ETH Zurich ahora han demostrado cómo eliminar y agregar cargas elementales a una nanoesfera que se puede usar para medir fuerzas extremadamente débiles.

Una pequeña esfera y un rayo láser dentro de los cuales flota como por arte de magia; con estos simples ingredientes, Martin Frimmer y sus compañeros de trabajo en el Laboratorio de Fotónica de ETH Zurich han desarrollado un sensor altamente sensible. En el futuro, se espera que este dispositivo mida, entre otras cosas, fuerzas extremadamente débiles o campos eléctricos con mucha precisión. Ahora los investigadores han dado un paso importante en esa dirección, como escriben en un artículo científico publicado recientemente.

Nanosfera en un rayo láser

Martin Frimmer, investigador postdoctoral en el grupo del profesor de ETH Lukas Novotny, explica el principio de funcionamiento de un sensor de manera muy plausible:"Primero necesito saber cómo el objeto que actúa como sensor es influenciado por su entorno. Cualquier cosa que suceda más allá de esa influencia me dice:hay una fuerza en acción". En la práctica, esto generalmente significa que las interacciones con el medio ambiente deben mantenerse al mínimo para maximizar la sensibilidad del sensor a las fuerzas que se quieren medir.

Los científicos lograron precisamente eso al atrapar una nanopartícula de sílice, cuyo diámetro es unas cien veces más pequeño que un cabello humano, utilizando un rayo láser enfocado. El rayo crea "pinzas ópticas" en las que la nanoesfera se mantiene en el foco del rayo por las fuerzas de la luz. Si una fuerza adicional actúa sobre la esfera, se cambia de su posición de reposo, que a su vez se puede medir con la ayuda de un rayo láser.

Descarga por alto voltaje

Dado que las pinzas ópticas mantienen la nanoesfera flotando en el aire sin ningún contacto mecánico, la influencia del medio ambiente se puede reducir fácilmente al mínimo. Para hacerlo Frimmer y su equipo colocan las pinzas ópticas dentro de una cámara de vacío para que prácticamente no haya más colisiones con las moléculas de aire. Lo único que queda ahora que podría crear una perturbación es una posible carga eléctrica en la nanopartícula. Debido a tal cargo, Campos eléctricos insuficientemente apantallados podrían influir en la esfera y, por lo tanto, una posible medida. Por esta razón, los investigadores de ETH han desarrollado un método simple pero altamente eficiente mediante el cual se puede neutralizar la carga en la esfera.

Con este fin, montaron un cable dentro de la cámara de vacío que estaba conectado a un generador de alto voltaje de 7000 voltios. El alto voltaje hizo que las moléculas de aire se ionizaran, es decir., para dividirse en electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Cualquiera de los dos podría saltar ahora a la nanoesfera y hacer que su carga sea más positiva o más negativa.

Para medir la carga que lleva la esfera en un momento dado, los físicos lo expusieron a un campo eléctrico oscilante y observaron la fuerza con la que reaccionaba la esfera. De esta manera pudieron confirmar que la carga de la esfera cambiaba en pasos de exactamente una carga elemental (es decir, la carga de un electrón) al negativo o al positivo. Cuando se apaga el alto voltaje, La carga instantánea de la esfera permanece constante durante días.

Gravedad y mecánica cuántica

Este control perfecto permite a los científicos neutralizar completamente la carga eléctrica de la nanopartícula. Como resultado, los campos eléctricos ya no tienen ningún efecto sobre la esfera, lo que permite medir con precisión otras fuerzas muy débiles. Una de esas fuerzas es la gravedad. Martin Frimmer especula, aunque con cautela, que en el futuro el nano-sensor que desarrolló debería permitir estudios de la interacción entre la gravedad y la mecánica cuántica.

Mediante la manipulación inteligente de las pinzas ópticas, los investigadores ya pueden enfriar la esfera por debajo de una diezmilésima de grado por encima del cero absoluto. Para temperaturas aún más bajas, se espera que la nanopartícula comience a comportarse mecánicamente cuánticamente, de modo que se puedan observar fenómenos como las superposiciones cuánticas y su dependencia de la gravedad.

Las aplicaciones interesantes del sensor también se presentan en contextos cotidianos, como la medición de aceleraciones. Dado que la carga de la nanoesfera no solo se puede neutralizar, pero también se establece en un valor bien definido a voluntad, el sensor es igualmente adecuado para mediciones precisas de campos eléctricos.