(PhysOrg.com) -- Les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie ont utilisé un petit cristal d'ions (atomes chargés électriquement) pour détecter des forces à l'échelle du yoctonewtons. Les mesures de forces légères - un yoctonewton équivaut au poids d'un seul atome de cuivre sur Terre - peuvent être utiles en microscopie de force, science à l'échelle nanométrique, et des tests de théories de la physique fondamentale.

Un newton est déjà une petite unité :à peu près la force de la gravité terrestre sur une petite pomme. Un yoctonewton est un septillionième de newton (yocto signifie 23 zéros après la virgule, ou 0,0000000000000000000000001).

Les mesures de forces extrêmement faibles sont généralement effectuées avec de minuscules oscillateurs mécaniques, qui vibrent comme des cordes de guitare. Le nouveau capteur NIST, décrit dans Nature Nanotechnologie , * est encore plus exotique :un cristal plat d'environ 60 ions de béryllium piégés à l'intérieur d'une chambre à vide par des champs électromagnétiques et refroidi à 500 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu avec un laser ultraviolet. L'appareil a été développé au cours des 15 dernières années pour des expériences liées aux plasmas ioniques et à l'informatique quantique. Dans ce cas, il a été utilisé pour mesurer les forces à l'échelle du yoctonewton à partir d'un champ électrique appliqué. En particulier, l'expérience a montré qu'il était possible de mesurer environ 390 yoctonewtons en seulement une seconde de temps de mesure, une vitesse rapide qui indique la haute sensibilité de la technique. La sensibilité est un atout pour les applications pratiques.

Le précédent record de mesure de force avec ce niveau de sensibilité a été réalisé par un autre physicien du NIST qui a mesuré les forces 1, 000 fois plus grand, ou 500 zeptonewtons (0,00000000000000000005 newtons) en une seconde de temps de mesure à l'aide d'un oscillateur mécanique.** Des recherches antérieures du NIST ont indiqué qu'un seul ion piégé pouvait détecter des forces à l'échelle du yoctonewton mais n'effectuait pas de mesures calibrées. ***

Le capteur d'ions décrit dans Nature Nanotechnologie fonctionne en examinant comment une force appliquée affecte le mouvement des ions, basé sur les changements de la lumière laser réfléchie par les ions. Un petit champ électrique oscillant appliqué au cristal fait basculer les ions d'avant en arrière; comme les ions basculent, l'intensité de la lumière laser réfléchie oscille en synchronisation avec le mouvement des ions. Une modification de la quantité de lumière laser réfléchie due à la force est détectable, fournissant une mesure du mouvement induit par les ions en utilisant un principe similaire à celui à l'œuvre dans le pistolet radar d'un policier. La technique est très sensible en raison de la faible masse des ions, forte réponse des particules chargées aux champs électriques externes, et la capacité de détecter des changements à l'échelle nanométrique dans le mouvement des ions.