Les capteurs sensibles doivent être isolés au maximum de leur environnement pour éviter les perturbations. Des scientifiques de l'ETH Zurich ont maintenant démontré comment retirer et ajouter des charges élémentaires à une nanosphère qui peut être utilisée pour mesurer des forces extrêmement faibles.

Une minuscule sphère et un faisceau laser à l'intérieur duquel il plane comme par magie – avec ces ingrédients simples, Martin Frimmer et ses collègues du laboratoire de photonique de l'ETH Zurich ont développé un capteur très sensible. À l'avenir, cet appareil devrait mesurer, entre autres choses, des forces extrêmement faibles ou des champs électriques très précisément. Maintenant, les chercheurs ont fait un grand pas dans cette direction, comme ils l'écrivent dans un article scientifique récemment publié.

Nanosphère dans un faisceau laser

Martin Frimmer, chercheur post-doctoral dans le groupe du professeur de l'ETH Lukas Novotny, explique le principe de fonctionnement d'un capteur de manière très plausible :« J'ai d'abord besoin de savoir comment l'objet agissant comme capteur est influencé par son environnement. Tout ce qui se passe au-delà de cette influence me dit :il y a une force à l'œuvre. En pratique, cela signifie généralement que les interactions avec l'environnement doivent être réduites au minimum afin de maximiser la sensibilité du capteur aux forces que l'on veut mesurer.

Les scientifiques y sont parvenus précisément en piégeant une nanoparticule de silice, dont le diamètre est environ cent fois plus petit qu'un cheveu humain, à l'aide d'un faisceau laser focalisé. Le faisceau crée des "pinces optiques" dans lesquelles la nanosphère est maintenue au foyer du faisceau par des forces lumineuses. Si une force supplémentaire agit sur la sphère, il est décalé de sa position de repos, qui à son tour peut être mesuré à l'aide d'un faisceau laser.

Décharge par haute tension

Étant donné que les pincettes optiques maintiennent la nanosphère en vol stationnaire sans aucun contact mécanique, l'influence de l'environnement peut facilement être réduite au minimum. Faire cela, Frimmer et son équipe placent les pincettes optiques à l'intérieur d'une chambre à vide afin qu'il n'y ait pratiquement plus de collisions avec les molécules d'air. La seule chose qui reste maintenant qui pourrait créer une perturbation est une éventuelle charge électrique sur la nanoparticule. En raison d'une telle accusation, des champs électriques insuffisamment blindés pourraient influencer la sphère et, donc, une mesure possible. Pour cette raison, les chercheurs de l'ETH ont maintenant développé une méthode simple mais très efficace par laquelle la charge sur la sphère peut être neutralisée.

À cette fin, ils ont monté un fil à l'intérieur de la chambre à vide qui était connecté à un générateur haute tension de 7000 volts. La haute tension a provoqué l'ionisation des molécules d'air, c'est à dire., être divisé en électrons chargés négativement et en ions chargés positivement. L'un ou l'autre pourrait maintenant sauter sur la nanosphère et rendre sa charge plus positive ou plus négative.

Pour mesurer la charge portée par la sphère à un instant donné, les physiciens l'ont exposé à un champ électrique oscillant et ont observé avec quelle force la sphère réagissait à cela. De cette façon, ils ont pu confirmer que la charge de la sphère changeait par pas d'exactement une charge élémentaire (c'est-à-dire, la charge d'un électron) au négatif ou au positif. Lorsque la haute tension est coupée, la charge instantanée de la sphère reste constante pendant des jours.

Gravité et mécanique quantique

Ce contrôle parfait permet aux scientifiques de neutraliser complètement la charge électrique sur la nanoparticule. Par conséquent, les champs électriques n'ont plus aucun effet sur la sphère, ce qui permet de mesurer précisément d'autres forces très faibles. L'une de ces forces est la gravité. Martin Frimmer spécule, quoique prudemment, qu'à l'avenir le nano-capteur qu'il a développé devrait permettre d'étudier l'interaction entre la gravité et la mécanique quantique.

Grâce à une manipulation intelligente de la pince à épiler optique, les chercheurs peuvent déjà refroidir la sphère jusqu'à moins d'un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu. Pour des températures encore plus basses, la nanoparticule devrait commencer à se comporter de manière quantique, de sorte que des phénomènes tels que les superpositions quantiques et leur dépendance à la gravité peuvent être observés.

Des applications intéressantes du capteur se présentent également dans des contextes quotidiens, comme la mesure des accélérations. Puisque la charge de la nanosphère ne peut pas seulement être neutralisée, mais aussi réglé à volonté sur une valeur bien définie, le capteur convient également aux mesures de précision des champs électriques.