マイクロカンチレバー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 466 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、表面から反射された光子の放射圧力によって生成される力である光子力 (PF) を定量的に決定する方法を紹介します。 光子力の検出用に最適化された革新的な微小電気機械システム (MEMS) を統合した実験セットアップ (pfMEMS) を提案します。 アクティブマイクロカンチレバーが力検出器として使用され、測定は電磁力補償を備えた閉ループセットアップで実行されました。 私たちの以前の研究とは対照的に、この測定方法は、PF 相互作用の定性的ではなく定量的な評価を提供します。 最終的な電流バランス設定は、数十マイクロワットから数ワットまでの光源に適しています。 私たちの記事では、静的測定で 30 fN の分解能で 67.5 pN までの範囲の PF 相互作用を測定した、実行された実験の結果を紹介します。

ナノスケール現象の定量的記述として定義されるナノ計測学は、特定の計測学的校正標準を求めています。 この目的のために、たわみ作動とたわみ検出のための一連の技術を採用した精密マイクロ電気機械システム (MEMS) が構築されています 2,3。 ナノ計測デバイスを使用すると、フェムトメートル 4 までの距離とフェムトニュートン 5,6 までの力を測定できます。フェムトニュートン 5,6 は、光子力 (PF) が測定できるオーダーです。

光線によって表面に誘発される力は、19 世紀にマクスウェルとバルトリによって電磁波の理論的説明で予測されました。 PF は、19017 年にニコルズ放射計が発明されるまで実験では証明されませんでした。この発表以来、1 世紀以上にわたり、ねじれバランス 8、静電的 9、圧電的アプローチ 10 など、さまざまな PF 測定方法が作成されてきました。

PF 現象に基づいたアプリケーションは数多くあります。 最もよく知られている技術は、光ピンセットでの微粒子の操作です 11。また、光子によって誘発される力は、宇宙溶液における潜在的な推進力とも考えられています 12。

現在の技術では、pW から PW (1015 W) までの範囲の出力で光ビームを生成することが可能です。 光機械現象は、高解像度で追跡可能な計測学の対象です。 これは、高エネルギーと低エネルギーの場合に最も興味深いものであり、どちらの場合でも、光子の流れを使用して機械システムやデバイスの変位を駆動できるためです。

ナノスケールでは、PF 相互作用は非常に高い力分解能で構造に力を及ぼすことができます。 PF は、十分に特性化された放射線源を使用して正確に電子制御でき、バックアクション設定ではさらに優れています。 この場合、PF 作動デバイスはさまざまな環境で使用できます。 ただし、計測ソリューションでは、力を校正する必要があります。 したがって、高い分解能と再現性で PF 相互作用を測定する計測装置を設計する必要があります。

歴史的な観点から見ると、電流平衡は物体の重力と電磁石の電磁力の間の平衡状態を決定するために使用されてきました。 電流天秤ではその名の通り、重力を電流と電圧という電気量で表現します。 電流バランスの感度は、変位検出器の感度によって制限されます。 これにより、計測装置が作成され、力 (本来は重量) を電気量で表現できるようになります。 この設定では、感度は天秤の機械的特性と変位センサーの感度によって決まるため、非常に細かい力でも検出できます。

MEMS は微細な力の測定によく使われるツールであるため、PF 相互作用の測定にも使用されました。 アプローチには、力 - たわみトランスデューサとしてのマイクロカンチレバーの使用が含まれており 13、たわみのアクティブ補償も導入されています 14。 しかし、私たちの知る限りでは、PF 測定の直接的な力補償を備えた MEMS セットアップを導入した研究はありません。