فیزیک‌دان‌های مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) با استفاده از بلور کوچکی از یون‌ها توانسته‌اند نیروها را در مقیاس یوکتونیوتن اندازه‌گیری کنند.
اندازه‌گیری نیروها در مقیاس یوکتونیوتن
فیزیک‌دان‌های مؤسسه ملی استاندارد و
فناوری (NIST) با استفاده از بلور کوچکی از یون‌ها توانسته‌اند نیروها را
در مقیاس یوکتونیوتن اندازه‌گیری کنند. یک یوکتونیوتن برابر ۲۴-۱۰ نیوتن یا
به عبارت دیگر معادل وزن یک اتم مس روی کره زمین است.
به طور معمول اندازه‌گیری نیروهای بسیار
کوچک با استفاده از نوسانگرهای مکانیکی صورت می‌گیرد که همانند گیتار
ارتعاش می‌کنند. حسگر جدید NIST ساختار عجیب‌تری دارد. این حسگر از یک بلور
کوچک متشکل از ۶۰ اتم بریلیوم ساخته شده است که با استفاده از میدان‌های
الکترومغناطیسی در یک محفظه خلأ به‌دام افتاده و با یک لیزر ماورای بنفش تا
۵۰۰ میلیونیوم یک درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده است. این ابزار با تکیه
بر آزمایش‌های ۱۵ ساله انجام شده روی پلاسماهای یونی و محاسبات کوانتومی
ساخته شده است. در این کار پژوهشی از این حسگر برای اندازه‌گیری نیروهایی
در مقیاس یوکتونیوتن که به‌وسیله‌ی یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود،
استفاده شده است. این محققان توانستند با استفاده از این ابزار نیرویی به
اندازه ۳۹۰ یوکتونیوتن را در عرض یک ثانیه اندازه‌گیری کنند که نشان‌دهنده
سرعت و حساسیت بالای این حسگر است.
رکورد قبلی اندازه‌گیری کمترین نیرو به محقق دیگری از NIST تعلق داشت که
توانسته بود نیرویی به اندازه ۵۰۰ زپتونیوتن (۱۰۰۰ برابر بزرگ‌تر از مقدار
فعلی) را با استفاده از یک نوسانگر مکانیکی در عرض یک ثانیه اندازه بگیرد.
تحقیقات قبلی انجام شده در NIST نشان می‌داد که می‌توان از یک یون به‌دام
افتاده برای اندازه‌گیری نیروهایی در مقیاس یوکتونیوتن بهره برد، اما
اندازه‌گیری‌های کالیبره شده صورت نگرفته بودند.
این حسگر جدید با بررسی میزان اثرگذاری نیروی وارده بر حرکت یون منفرد که
با تغییر در لیزر منعکس شده از آن نمایان می‌شود، کار می‌کند. یک میدان
الکتریکی نوسان‌کننده که به این بلور اعمال می‌شود، موجب ایجاد حرکت رفت و
برگشتی در آن می‌گردد. شدت لیزر منعکس شده از این یون به‌صورت هماهنگ با
این حرکت تغییر می‌کند. می‌توان با اندازه‌گیری تغییرات ایجاد شده در شدت
لیزر منعکس‌‌شده، مقدار نیروی اعمال شده به یون را محاسبه کرد. این کار
شبیه تعیین سرعت خودروها با استفاده از سرعت‌سنج پلیس است. این روش به‌دلیل
پایین بودن جرم یون، پاسخ قوی ذرات باردار به میدان‌های الکتریکی خارجی، و
توانایی تشخیص تغییرات نانومقیاس در حرکت یون از حساسیت بسیار بالایی
برخوردار است.
جزئیات این کار در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.
