Una nanosfera galleggiante come sensore ultrasensibile

Una minuscola perlina e un raggio laser in cui si libra come per magia: Martin Frimmer e i suoi collaboratori del Laboratorio di fotonica dell'ETH di Zurigo hanno utilizzato questi semplici mezzi per sviluppare un sensore altamente sensibile. In futuro, il dispositivo sarà in grado di misurare con precisione forze estremamente deboli o i più piccoli campi elettrici, tra le altre cose. I ricercatori hanno ora compiuto un passo importante verso questo obiettivo, come scrivono in un articolo scientifico pubblicato di recente.

Nanosfere in un raggio laser

Martin Frimmer, postdoc nel gruppo di lavoro del professor Lukas Novotny dell'ETH, spiega molto chiaramente il principio di base di un sensore: "Prima di tutto, devo sapere come l'oggetto che funge da sensore è in contatto con il suo ambiente. Se succede qualcosa che va al di là di queste influenze, allora so: aha, c'è una forza all'opera".

In pratica, ciò significa che le interazioni con l'ambiente devono essere ridotte al minimo per massimizzare la sensibilità del sensore alle forze da misurare. Gli scienziati hanno ottenuto proprio questo risultato utilizzando un raggio laser focalizzato per catturare una nanoparticella sferica di biossido di silicio con un diametro circa cento volte più piccolo di un capello umano. In questo modo si formano le cosiddette "pinzette ottiche", in cui le nanosfere sono tenute nel punto focale del fascio da forze luminose. Se ora una forza ulteriore agisce sulla perlina, questa si sposta dalla sua posizione di riposo, che a sua volta può essere misurata con l'aiuto di un raggio laser.

Scarica ad alta tensione

Poiché le pinzette ottiche mantengono le nanosfere in sospensione senza alcun contatto meccanico, l'influenza dell'ambiente può essere facilmente minimizzata. Per ottenere questo risultato, Frimmer e il suo team hanno collocato le pinzette ottiche in un apparecchio a vuoto, in modo che non ci siano praticamente più collisioni con le molecole d'aria. L'unica cosa che può ancora interferire è una possibile carica elettrica sulla nanoparticella. Ciò potrebbe causare campi elettrici non sufficientemente schermati che influenzano la perlina e quindi interferiscono con una possibile misurazione.

I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un metodo semplice ma molto efficace per neutralizzare la carica sulla perla. Hanno installato un filo nell'apparecchio a vuoto a cui è collegata un'alta tensione di 7000 volt. L'alta tensione provoca la ionizzazione delle molecole d'aria, cioè la loro scissione in elettroni con carica negativa e ioni con carica positiva. Questi possono quindi saltare verso le nanosfere e rendere la loro carica più negativa o positiva.

Per misurare la carica che trasporta in un determinato momento, la fisica ha esposto la perlina a un campo elettrico oscillante e ha osservato la sua reazione. In questo modo hanno potuto dimostrare che la carica della perlina cambia in positivo o in negativo a passi di una sola carica elementare (cioè la carica di un elettrone). Se l'alta tensione viene spenta, la sua carica rimane costante per giorni.

Gravitazione e meccanica quantistica

Questo controllo perfetto permette agli scienziati di neutralizzare completamente la nanoparticella dal punto di vista elettrico. I campi elettrici non hanno quindi più alcun effetto sulla perlina, rendendo possibile la misurazione precisa di altre forze molto deboli. Una di queste forze è la gravità. Martin Frimmer ipotizza, seppur con cautela, che in futuro sarà possibile studiare la gravità in relazione alla meccanica quantistica utilizzando il nanosensore da lui sviluppato.

I ricercatori possono già raffreddare la perla a meno di un decimillesimo di grado sopra lo zero assoluto manipolando abilmente le pinzette ottiche. A temperature ancora più basse, la nanoparticella dovrebbe iniziare a comportarsi in modo quantomeccanico, così da poter osservare fenomeni come le sovrapposizioni quantistiche e la loro dipendenza dalla gravità.

Il sensore dei ricercatori dell'ETH può trovare applicazioni interessanti anche in ambiti più quotidiani, come la misurazione dell'accelerazione. Poiché la carica delle nanosfere non solo viene neutralizzata, ma può anche essere impostata su un valore determinabile con precisione, il sensore è adatto anche alla misurazione di precisione dei campi elettrici.