Microcantilever

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 466 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Presentiamo un metodo per la determinazione quantitativa della forza fotonica (PF), la forza generata dalla pressione di radiazione dei fotoni riflessi dalla superficie. Proponiamo un setup sperimentale che integra un innovativo sistema microelettromeccanico (MEMS) ottimizzato per il rilevamento della forza fotonica (pfMEMS). Come rilevatore di forza è stato utilizzato un microcantilever attivo, mentre la misurazione è stata condotta in una configurazione a circuito chiuso con compensazione della forza elettromagnetica. In opposizione ai nostri lavori precedenti, questo metodo di misurazione fornisce una valutazione quantitativa e non qualitativa dell'interazione PF. La configurazione finale del bilanciamento della corrente è adatta per sorgenti luminose da decine di microwatt a pochi watt. Nel nostro articolo presentiamo i risultati degli esperimenti eseguiti, in cui abbiamo misurato le interazioni PF nell'intervallo fino a 67,5 pN con una risoluzione di 30 fN nella misurazione statica.

La nanometrologia, definita come la descrizione quantitativa dei fenomeni su scala nanometrica, ricerca specifici standard di calibrazione metrologica. A questo scopo, si stanno costruendo precisi sistemi microelettromeccanici (MEMS)1 impiegando una serie di tecniche per l'attuazione e il rilevamento della deflessione2,3. Con l'uso di dispositivi nanometrologici, è possibile misurare distanze fino ai femtometri4 e forze fino ai femtonewton5,6: l'ordine di grandezza al quale è misurabile la forza fotonica (PF).

La forza indotta sulla superficie dal raggio luminoso fu prevista nel XIX secolo da Maxwell e Bartoli nelle descrizioni teoriche delle onde elettromagnetiche. Il PF non è stato dimostrato sperimentalmente fino all'invenzione del radiometro di Nichols nel 19017. Da questa presentazione, per oltre un secolo, sono stati creati diversi metodi di misurazione del PF, tra cui la bilancia di torsione8, gli approcci elettrostatico9 e piezoelettrico10.

Esistono molte applicazioni basate sul fenomeno PF. Le tecnologie più riconoscibili sono la manipolazione di particelle fini in pinzette ottiche11, e la forza indotta dai fotoni è considerata anche un potenziale motore di propulsione nelle soluzioni spaziali12.

La tecnologia odierna consente di generare fasci luminosi con una potenza compresa tra pW e PW (1015 W). I fenomeni optomeccanici sono oggetto di metrologia ad alta risoluzione e tracciabile. Ciò è di massimo interesse per le alte e basse energie, poiché in entrambi i casi il flusso di fotoni può essere utilizzato per attivare lo spostamento dei sistemi e dei dispositivi meccanici.

Su scala nanometrica, l'interazione PF può esercitare una forza sulla struttura con una risoluzione di forza estremamente elevata. Il PF può essere controllato elettronicamente con precisione con una sorgente di radiazioni ben caratterizzata e, ancora meglio, in una configurazione ad azione posteriore. In questo caso i dispositivi azionati da PF possono essere utilizzati in vari ambienti. Nelle soluzioni metrologiche però la forza deve essere calibrata. Da qui l'esigenza di progettare dispositivi metrologici per misurare le interazioni PF con alta risoluzione e ripetibilità.

Dal punto di vista storico un bilancio di corrente veniva utilizzato per determinare lo stato di equilibrio tra la gravità di un oggetto e la forza elettromagnetica di un elettromagnete. Nel bilancio corrente, come indicato dal nome, la forza di gravità è espressa dalle quantità elettriche di corrente e tensione. La sensibilità del bilancio di corrente è limitata dalla sensibilità dei rilevatori di spostamento. Si crea così un dispositivo metrologico e la possibilità di esprimere le forze (originariamente il peso) con grandezze elettriche. In questa configurazione è possibile rilevare anche forze molto sottili, poiché la sensibilità è determinata dalle proprietà meccaniche della bilancia e dalla sensibilità del sensore di spostamento.

I MEMS sono strumenti frequentemente utilizzati nelle misurazioni di forze fini, pertanto sono stati utilizzati anche nelle misurazioni delle interazioni PF. Gli approcci riguardano l'uso di un microcantilever come trasduttore di forza-deflessione13, è stata inoltre introdotta la compensazione attiva della deflessione14. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, non esiste alcun lavoro che introduca una configurazione MEMS con compensazione diretta della forza per la misurazione del PF.