Illustration schématique de l'unité d'équilibrage de torsion. Il se compose d'un miroir Al/graphène/CNT/Al de longueur de faisceau L suspendu par un CNT individuel de diamètre d et de longueur de suspension l. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd2358
La balance de torsion contient une poutre d'équilibre rigide suspendue par un fil fin en tant qu'instrument scientifique ancien qui continue à former un capteur de force très sensible à ce jour. La sensibilité à la force est proportionnelle aux longueurs de la poutre et du fil et inversement proportionnelle à la puissance quatrième du diamètre du fil; donc, les nanomatériaux qui soutiennent les équilibres de torsion devraient être des blocs de construction idéaux. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Lin Cong et une équipe de recherche en physique quantique, la microélectronique et les nanomatériaux en Chine ont détaillé un réseau d'équilibre de torsion sur une puce avec le niveau de sensibilité le plus élevé. L'équipe a facilité cela en utilisant un nanotube de carbone comme fil et un graphène monocouche recouvert de films d'aluminium comme faisceau et miroir. En utilisant le montage expérimental, Cong et al. mesuré la force femtonewton exercée par un laser faible. Les balances sur la puce ont servi de plate-forme idéale pour étudier les interactions fondamentales jusqu'à zeptonewton avec une précision.
Un rôle moderne pour les instruments scientifiques anciens
Le pendule de torsion est un ancien instrument scientifique utilisé pour découvrir la loi de Coulomb en 1785 et pour déterminer la densité de la Terre en 1798. L'instrument est utile dans une gamme d'applications, y compris les explorations scientifiques existantes pour déterminer avec précision la constante gravitationnelle. La méthode la plus efficace pour obtenir une sensibilité élevée dans la configuration consiste à réduire autant que possible le diamètre du fil de suspension. Par exemple, en 1931, Kappler et al. a utilisé un fil de quelques centimètres de long pour développer une balance de torsion très sensible pour établir un record pour une sensibilité à la force intrinsèque jusqu'alors inégalée. Maintenant, les nanotubes de carbone forment l'un des matériaux les plus résistants et les plus minces connus. Dans ce travail, l'équipe a synthétisé des nanotubes de carbone ultra-longs (CNT) et du graphène à grande surface pour augmenter considérablement les longueurs du balancier et du fil de suspension afin d'améliorer considérablement la sensibilité de l'instrument. La méthode de développement de l'appareil était compatible avec le traitement des semi-conducteurs pour l'incorporation dans un réseau de 4 par 4 sur une puce.
Le processus de fabrication de la balance de torsion CNT. (A) Film CNT superaligné collé sur une feuille de graphène/Cu après infiltration d'alcool. (B) Structure à trois couches inversée CNT/graphène/Cu-foil flottant sur une solution corrosive. (C) GCF rincé à l'eau déminéralisée après avoir gravé Cu loin. (D) GCF transféré sur un substrat. (E) Bande GCF découpée au laser agissant comme le squelette du miroir. (F) Substrat assemblé avec un CNT individuel. (G) Balance de torsion semi-finie avec un film d'aluminium de 10 nm déposé des deux côtés de la bande GCF. (H) Bilan de torsion des CNT finalement obtenu en coupant les pièces de liaison. (I) Substrat Si avec un réseau 4 × 4 de balances de torsion CNT fabriqués après l'étape (E). Barre d'échelle, 5 millimètres. Crédit photo :Kaili Jiang, Université de Tsinghua. (J) Photographie au microscope optique d'une balance de torsion après avoir terminé le processus de fabrication. La ligne pointillée indique la position du filetage CNT. Barre d'échelle, 100 µm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd2358 
Au cours du processus de conception, Cong et al. sélectionné un nanotube de carbone individuel de quelques nanomètres de diamètre pour former le fil, pour suspension sous forme de faisceau ultraléger en graphène monocouche recouvert de films d'aluminium. Le moment d'inertie extrêmement faible de l'instrument a réduit le temps de mesure à quelques secondes à température ambiante par rapport à l'instrument Kappler, qui a pris des heures. Le processus de développement du réseau d'équilibre de torsion comprenait la formation d'un film CNT de graphène autonome, dont Cong et al. transféré sur un réseau de plaquettes de silicium préfabriqué. Les scientifiques ont ensuite transféré un nanotube de carbone individuel (CNT) sur un substrat recouvert de graphène-CNT (GCF) comme fil de suspension. Ils ont ensuite déposé une fine couche d'aluminium des deux côtés du substrat pour obtenir un miroir à haute réflectivité et retiré des parties du nanotube de graphène-carbone à l'aide d'un laser. Finalement, le miroir ultrafin semblait flotter dans l'air en raison de l'invisibilité du fil CNT au microscope optique.
La configuration de mesure optique et les résultats de mesure typiques de la balance de torsion CNT #1. (A) Schéma de principe du système de lecture optique de la balance de torsion. (B) Réponse dynamique de la balance de torsion à la pression optique d'un faisceau laser à une puissance de 4,86 W (en haut) et aux spectres de puissance correspondants de la transformée de Fourier rapide (FFT) (en bas ; le cercle noir représente les données FFT, et la ligne rouge est l'ajustement de la courbe). (C) Angles de déviation d'équilibre et fréquence par rapport à la puissance du laser. La barre d'erreur du panneau supérieur est obtenue à partir de statistiques sur 10 mesures indépendantes. (D) Couple par rapport à la force photonique incidente. La longueur effective du levier dans la mesure est de 8,06 m. La ligne pointillée verte est la relation couple-force théorique à la longueur totale du levier de L/2 =60 m. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd2358
Mesures et caractérisation de la sensibilité.
Pour surmonter l'influence des courants d'air, Cong et al. scellé la balance de torsion CNT dans une chambre à vide et ajouté la chambre à un poste de travail optique avec un isolateur à flux laminaire haute performance pour isoler les vibrations et le bruit mécanique de l'environnement. Lors des mesures, les scientifiques ont arrêté la pompe sèche et la pompe turbo du système et n'ont maintenu la pompe à ions que pour conserver l'activité du vide. Pour la mesure optique, l'équipe a concentré un faisceau laser d'une puissance de quelques microwatts pour exercer une pression photonique et faire tourner la balance de torsion à un petit angle autour du fil de nanotube de carbone (CNT). Ils ont ensuite mesuré l'angle induit avec un capteur à dispositif à couplage de charge (CCD) pour détecter la position de la lumière réfléchie. L'énergie potentielle de torsion du miroir était en accord avec les valeurs théoriques prédites par la théorie du mouvement brownien. Pour comprendre les performances de la balance, Cong et al. a effectué des lectures optiques pour 11 puissances laser différentes sur 10 sites différents. Les valeurs moyennes des fréquences d'oscillation de torsion n'ont pas changé avec la puissance du laser. La balance de torsion des nanotubes de carbone pourrait mesurer la force faible avec une résolution femtonewton, et la puissance du laser pourrait être réduite davantage pour éviter les déviations hors de portée. D'autres réductions de la puissance laser ont gravement affecté la mesure de l'angle ; les chercheurs suggèrent donc d'utiliser un deuxième faisceau laser de sonde pour détecter l'angle de déviation lors de la mesure des forces inférieures au femtonewton exercées par une lumière laser plus faible.
La carte de comparaison des balances de torsion CNT et des balances de torsion classiques. En plus d'afficher la constante de torsion mesurée et la longueur de faisceau L de chaque expérience, la sensibilité de l'appareil définie par l'angle de déviation produit par 1 N est également indiquée, qui peut être obtenu à partir de L/2κ. Les lignes parallèles colorées du bleu clair au bleu foncé indiquent des ordres de grandeur de sensibilité allant de 2 à 13. Les expériences sont regroupées et séparées par couleur selon l'ordre de grandeur de sensibilité. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd2358
Perspectives
De cette façon, Lin Cong et ses collègues ont fourni une méthode fiable pour faciliter l'équilibre de torsion afin de le rendre attrayant pour les applications sur puce. L'équipe a amélioré les performances de la balance de torsion des nanotubes de carbone en utilisant un nanotube de carbone de petit diamètre comme fil de suspension. La résolution attendue de la force zeptonewton pourrait battre le record de résultats obtenus à très basse température en tant que percée importante dans le domaine de la mesure des forces faibles. L'angle de torsion du nanotube de carbone peut être ajusté en continu pour influencer les propriétés de transport d'électrons produites par la déformation de torsion sur une large plage. La présente étude est préliminaire et peut encore être améliorée. Les équilibres de tension des nanotubes de carbone (CNT) sur puce détaillés dans ce travail offraient une résolution femtonewton basée sur un nanotube de carbone individuel comme fil de suspension et un graphène-CNT aluminisé (GCF) comme faisceau d'équilibre et miroir. La haute sensibilité et la fabrication simple de la balance de torsion CNT permettront à de nouvelles recherches fondamentales d'explorer les effets faibles et de déterminer de nouvelles lois de la physique.
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