Используя микроскопический оптический датчик, который можно изготавливать партиями на кремниевой микросхеме с низкой стоимостью, исследователи из Центра NIST для наноразмерной науки и технологии измерили механическое движение между двумя нанообъемными структурами с точностью, близкой к основному пределу, налагаемому квантовой механикой ,
Комбинируя микроэлектромеханическую систему (MEMS) с чувствительным оптическим резонатором, к которому можно получить доступ с использованием обычных оптических волокон, устройство представляет собой модель для резкого улучшения датчиков на основе MEMS, таких как акселерометры, гироскопы и кантилеверы для атомно-силовой микроскопии. Традиционные датчики MEMS зависят от встроенных электростатических преобразователей с медленным временем отклика и низким отношением сигнал / шум, а большинство научных приборов, которые обнаруживают движение, используют громоздкую оптику, требующую дорогостоящего инструментария, тщательного выравнивания и механической изоляции. Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи создали высокочувствительный детектор положения, который опирается на оптическую полость микродискового кремния диаметром всего в десять микрометров и имеет кольцо нитрида кремния аналогичного размера, подвешенное на несколько сотен нанометров выше него.
Близость позволяет смещенному свету на поверхности диска взаимодействовать с кольцом, а изменения силы этого взаимодействия могут быть использованы для измерения изменений расстояния между ними, что позволяет эффективно использовать эффекты квантовой механики. Полость имеет высокий коэффициент оптического качества, а это означает, что свет от оптического волокна может пропустить несколько тысяч раундов в полости перед утечкой, аккумулируя информацию о положении кольца с каждым круговым движением. Очень резкий оптический резонанс резонатора, в сочетании с высокой чувствительностью оптического режима к расстоянию на диске, позволяет измерять точность смещения вблизи предела, налагаемого принципом квантовомеханической неопределенности. Используя сигнал из оптической полости в качестве входа в электронную схему обратной связи, управляющую исполнительным механизмом MEMS, который перемещает кольцо, исследователи могут уменьшить броуновское движение исполнительного механизма (смещение, вызванное случайным молекулярным движением) в 1000. Эта система обратной связи эффективно увеличивает полосу пропускания механической силы более чем в 2000 раз, сокращая время отклика системы до десяти микросекунд. Общее устройство обеспечивает комбинацию скорости и точности, которая совершенно недостижима с обычными датчиками MEMS. Он сочетает в себе исключительную чувствительность, низкую рассеиваемую мощность и широкую перестраиваемость с высокой стабильностью и практичностью полностью интегрированной кремниевой микросистемы. В настоящее время исследователи интегрируют эти датчики и приводы в высокочувствительные, стабильные и компактные консольные зонды для атомно-силовой микроскопии.
Выводы этого исследования опубликованы в статье: «Микромехромеханически контролируемая полостная оптико-механическая сенсорная система», Х. Мяо, К. Шринивасан и В. Аксюк, «Новый журнал физики» 14, 075015 (2012).”