Una nanopartícula que levita facilita la detección de fuerza ultrasensible

Un estudio dirigido por investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha logrado obtener la sensibilidad de fuerza más alta hasta ahora con la ayuda de un resonador nanomecánico. Los resultados se publican en Nature Physics.

En el trabajo, los científicos han logrado levitar ópticamente una nanopartícula en condiciones de vacío y medir el mayor factor de calidad o Q jamás observado en sistemas nano o micromecánicos. La combinación de un factor Q extremadamente alto junto con la pequeña masa de la nanopartícula ha permitido obtener, a temperatura ambiente, una fuerza de sensibilidad sin precedentes.

El sistema es tan sensible que las fuerzas débiles generadas por las colisiones entre la nanopartícula y las moléculas residuales de aire son suficientemente importantes como para llevar al sistema a un régimen no lineal. Por primera vez, este estudio ha demostrado que nanoresonadores con un factor Q ultraalto se comportan, intrínsecamente, de manera no lineal.

Los osciladores nano y micromecánicos con alto factor Q se pueden aplicar para sistemas de detección, procesar señales y observar efectos cuánticos

Los osciladores nano y micromecánicos con altos factores de calidad (factor-Q) han generado gran interés por su enorme potencial en aplicaciones para sistemas de detección, procesamiento de señales y transducción, así como en la investigación básica destinada a la observación de efectos cuánticos en sistemas cada vez más grandes.

A pesar de los recientes avances que ha habido en el diseño y la fabricación de resonadores mecánicos, no se había logrado superar cierto límite del factor Q debido al acoplamiento que existía entre el resonador y el medio ambiente a través del contacto físico a un soporte o punto de apoyo.

Con el fin de superar esta limitación, el presente trabajo ha propuesto utilizar objetos levitados ópticamente en condiciones de vacío, los cuales han demostrado no sufrir pérdidas de sujeción.

Además, los investigadores han mostrado que, cuando se combina con el efecto de enfriamiento regenerativo (feed-back cooling), la nanopartícula en levitación puede ser utilizada como un sensor de fuerza, lo suficientemente sensible para detectar interacciones ultra-débiles, tales como fuerzas de gravedad no-newtonianas y pequeñas fuerzas derivadas de fluctuaciones cuánticas del vacío.

Gieseler comenta que el movimiento térmico se observa comúnmente en sistemas nano-mecánicos, «sin embargo, la observación de las características no lineales del movimiento térmico es una verdadera novedad y, por lo tanto, desafía nuestra comprensión de cómo estos sistemas nano-mecánicos se comportan con factores Q altos».

El descubrimiento de esta nueva clase de osciladores nano-mecánicos abrirá nuevas vías para la detección de fuerzas ultrasensibles y, a su vez, beneficiará a la investigación experimental en el campo de física cuántica.

Este descubrimiento ha sido posible gracias a la colaboración entre el grupo de Nanoóptica de plasmones, dirigido por el profesor ICREA en el ICFO Romain Quidant, y el grupo de NanoFotónica dirigido por el profesor Lukas Novotny, del Laboratorio de Fotónica (ETH Zurich), como también al apoyo de la Fundación Cellex Barcelona a través de su programa Nest. 

Referencia bibliográfica:

Jan Gieseler, Lukas Novotny. Romain Quidant. “Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator”. Nature Physics, 2013. Doi:10.1038/NPHYS2798.

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