Микрокантилевер

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 466 (2023) Цитировать эту статью

842 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Представлен метод количественного определения фотонной силы (ФФ) — силы, создаваемой радиационным давлением фотонов, отраженных от поверхности. Мы предлагаем экспериментальную установку, объединяющую инновационную микроэлектромеханическую систему (МЭМС), оптимизированную для обнаружения фотонной силы (pfMEMS). В качестве детектора силы использовался активный микрокантилевер, а измерения проводились в замкнутой установке с компенсацией электромагнитной силы. В отличие от наших предыдущих работ, этот метод измерения обеспечивает количественную, а не качественную оценку взаимодействия ПФ. Окончательная настройка баланса токов подходит для источников света мощностью от десятков микроватт до нескольких ватт. В нашей статье мы представляем результаты проведенных экспериментов, в которых измерялись ПФ-взаимодействия в диапазоне до 67,5 пН с разрешением 30 фН при статическом измерении.

Нанометрология, определяемая как количественное описание наномасштабных явлений, требует конкретных метрологических стандартов калибровки. С этой целью создаются точные микроэлектромеханические системы (МЭМС)1, использующие ряд методов для активации и обнаружения отклонения2,3. С использованием нанометрологических устройств можно измерять расстояния до фемтометров4 и силы до фемтоньютонов5,6 — порядок величины, при котором можно измерить фотонную силу (PF).

Сила, индуцированная на поверхности лучом света, была предсказана в девятнадцатом веке Максвеллом и Бартоли при теоретическом описании электромагнитных волн. ПФ не была подтверждена в экспериментах до изобретения радиометра Николса в 19017 году. С момента этого представления на протяжении более столетия были созданы различные методы измерения ПФ, включая крутильные весы8, электростатические9 и пьезоэлектрические подходы10.

Существует множество приложений, основанных на явлении PF. Наиболее узнаваемыми технологиями являются манипулирование мелкими частицами с помощью оптического пинцета11, а сила, индуцированная фотонами, также считается потенциальным двигателем в космических решениях12.

Современные технологии позволяют генерировать световые лучи мощностью в диапазоне от пВт до ПВт (1015 Вт). Оптомеханические явления являются предметом метрологии с высоким разрешением и отслеживаемостью. Наибольший интерес это представляет для высоких и низких энергий, поскольку в обоих случаях поток фотонов может быть использован для управления перемещением механических систем и устройств.

На наноуровне PF-взаимодействие может оказывать воздействие на структуру с чрезвычайно высоким разрешением по силе. ПФ можно точно контролировать с помощью электроники с помощью хорошо изученного источника излучения, а еще лучше — с помощью установки обратного действия. При этом исполнительные устройства ПФ могут использоваться в различных средах. Однако в метрологических решениях сила должна быть откалибрована. Таким образом, возникает потребность в разработке метрологических устройств для измерения ПФ-взаимодействий с высоким разрешением и повторяемостью.

С исторической точки зрения баланс токов использовался для определения состояния равновесия между гравитацией объекта и электромагнитной силой электромагнита. В токовых весах, как следует из его названия, сила тяжести выражается электрическими величинами тока и напряжения. Чувствительность токовых весов ограничена чувствительностью детекторов смещения. Это создает метрологическое устройство и возможность выражать силы (первоначально вес) с помощью электрических величин. В этой установке можно обнаружить даже очень малые силы, поскольку чувствительность определяется механическими свойствами весов и чувствительностью датчика смещения.

МЭМС — это инструменты, часто используемые при измерении тонких сил, поэтому их также использовали при измерении ПФ-взаимодействий. Подходы предусматривают использование микрокантилевера в качестве преобразователя силы-прогиба13, также была введена активная компенсация прогиба14. Однако, насколько нам известно, не существует работ по внедрению установки МЭМС с прямой компенсацией силы измерения коэффициента мощности.