Çip Tabanlı Optik Cımbızlar, Ultra İnce Metallerle Vakumda Nanopartikülleri Havalandırır
Metalens tabanlı tasarım, ayak izini küçültür ve optik tuzakları hassas algılama ve ölçümler için pratik hale getirir.
Araştırmacılar, nanoparçacıkları bir vakumda optik olarak havaya kaldırmak için kullanılabilecek küçük çip tabanlı optik cımbızlar yarattılar. Canlı hücreleri, nanoparçacıkları ve diğer nesneleri tutmak için sıkıca odaklanmış bir lazer ışını kullanan optik cımbızlar, çeşitli hassas ölçümler ve algılama uygulamaları için kullanılabilir. Ancak bu optik tuzaklar genellikle hacimli optik bileşenlerle üretilir.
Purdue Üniversitesi’nden araştırma ekibi lideri Tongcang Li, “Ultra ince metaller kullanarak odaklama merceğinin çapını yaklaşık 25 mm’den yaklaşık 0,4 mm’ye düşürdük” dedi. “Çip tabanlı tasarım, bir nesneyi bir yüzeyden 1 mikrometreden daha az bir mesafede yakalayarak yüzeye yakın kuvvetleri incelemek için entegre ve esnek bir optik sistem oluşturmak için kullanılabilir. Kuantum süreçlerini incelemek için soğuk atomları bir vakumda hapsetmek için de yararlı olabilir.”
İçinde OPTİKOptica Publishing Group’un yüksek etkili araştırma dergisi, Purdue Üniversitesi ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, ultra ince metallerle vakumda çip üzerinde optik havaya yükselmenin ilk gerçekleştirildiğini bildirdiler. Bu başarıyı bir vakumda gerçekleştirmek, sistemin hassasiyetini artırmaya yardımcı olur.
Li, “Optik olarak havaya kaldırılan parçacıklar, potansiyel olarak navigasyonda kullanılabilecek ivmeölçerler ve jiroskoplar oluşturmak için kullanılabilir” dedi. “Bilim adamları ayrıca, karanlık maddeyi ve karanlık enerjiyi aramak ve kısa mesafelerde yerçekimini incelemek için optik olarak havaya kaldırılan parçacıkları kullanıyorlar, bu da doğa anlayışımızı derinleştirecek.”
Taşınabilir bir tuzağa doğru
Bu yeni araştırma, araştırmacıların şimdiye kadar bildirilen en hızlı insan yapımı rotoru ve en hassas tork dedektörünü oluşturmak için bir vakumda optik kaldırmayı kullandıkları önceki çalışmalardan ortaya çıktı.
Li, “Bir sonraki adım olarak, sistemi taşınabilir hale getirecek kadar küçülterek optik levitasyon teknolojisini daha pratik hale getirmek istedik” dedi. “Işığı odaklamak için nanoyapıları kullanan bir tür düz lens olan metalens kullanarak odaklama merceğinin boyutunu küçülterek başladık.”
Yeni çalışmada, araştırmacılar binlerce silikon nano sütundan oluşan bir metalen tasarladılar. Metalenlerin çapı, daha önce kullandıkları geleneksel objektif merceğinden yaklaşık 50 kat daha küçüktü.
Bu çalışmanın ilk yazarı Kunhong Shen, “Diğer araştırma grupları yakın zamanda sıvılarda metalen bazlı optik yakalamayı gösterdi” dedi. “Bir vakumda optik yakalama gerçekleştirmek, sıvı veya havadan gelen gürültüyü en aza indirmeye yardımcı olsa da, bunu yapmak çok daha zordur.”
Araştırmacılar, havada yükselen bir nanoparçacığın iki ayrı optik tuzak arasında transfer edilebileceğini gösterdi. Kredi: Kunhong Shen, Purdue Üniversitesi
Düz bir mercekle havaya yükselmek
Yeni optik tasarımlarını test etmek için araştırmacılar, yakalama kuvvetleri oluşturmak için metallere yoğun bir lazer ışını yönlendirdi. Daha sonra tuzak alanına seyreltilmiş bir nanoparçacık çözeltisi püskürttüler. Bir nanoparçacık tuzağa düştüğünde, bir kamera ile gözlemlenebilen parlak bir nokta olarak görünecektir. Foton dedektörleri, nanoparçacığın hareketini gerçek zamanlı olarak ölçtü.
Metalenlerin, bir nanoparçacığı vakumda bir basınçta havaya kaldırabileceğini gösterdiler. 2×10-4 Torr — yaklaşık 1/4.000.000 atmosfer basıncı — herhangi bir geri besleme stabilizasyonu gerektirmeden. Ayrıca, iki ayrı optik tuzak arasında yükselen bir nanoparçacığı transfer edebildiler.
“Metalenlerimiz, yalnızca 500 nm kalınlığa ve yaklaşık 0,9’luk büyük bir sayısal açıklığa sahip bir nanoyapı katmanıdır. Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden araştırma ekibi lideri Xingjie Ni, geleneksel bir hacimli lens ile benzer bir performans sunuyor” dedi. “Metalens tamamen vakumla uyumludur. Ve daha da ilginci, nanoparçacıkların optik olarak havaya kaldırılması için faydalı olduğunu kanıtladığımız odaklama ışığından düşük uzaysal frekanslı bileşenleri filtrelemek gibi ek işlevleri yerine getirmek için esnek bir şekilde tasarlayabiliriz.”
Araştırmacılar şimdi metallerin iletimini ve odaklanma verimliliğini artırarak küçük havaya yükselme cihazlarını geliştirmek için çalışıyorlar. Ayrıca gerçek dünya uygulamaları için optik kaldırmayı daha pratik hale getirmek için metallerin çapını daha da küçültmek istiyorlar.
Referans: Kunhong Shen, Yao Duan, Peng Ju, Zhujing Xu, XI CHEN, Lidan Zhang, Jonghoon Ahn, Xingjie Ni ve Tongcang Li tarafından “vakumda metalens ile çip üzerinde optik levitasyon”, 21 Ekim 2021, OPTİK.
DOI: 10.1364 / OPTİKA.438410
.