室温下具有飞牛顿力分辨率的片上扭转平衡

所述扭秤包含由螺纹细悬浮作为继续形成一个非常敏感的力传感器迄今为止一个古老的科学仪器的刚性平衡梁。力敏感度与横梁和螺纹的长度成正比，与螺纹直径的四次方成反比。因此，支持扭转平衡的纳米材料应该是理想的构件。在现在发表在《科学进展》上的新报告中，林聪和量子物理学，微电子学和纳米材料研究团队已将灵敏度平衡级别最高的芯片上的扭力平衡阵列进行了详细描述。该团队通过使用碳纳米管作为线和涂有铝膜的单层石墨烯作为光束和反射镜来促进这一过程。使用实验装置，Cong等。测量了弱激光施加的飞牛顿力。芯片上的天平是研究精度高达zeptonewton的基本相互作用的理想平台。

古代科学仪器的现代角色

该扭摆是用一个古老的科学仪器发现库仑定律在1785年，并确定在1798年地球的密度。该仪器可用于多种应用，包括精确确定重力常数的现有科学探索。在设置中实现高灵敏度的最有效方法是通过尽可能减小吊线的直径。例如，在1931年，Kappler等人。用一厘米长的线形成了高度灵敏的扭力平衡，从而创下了迄今为止尚未达到的内在力灵敏性的记录。目前，碳纳米管形成已知最坚固和最薄的材料之一。在这项工作中，研究小组合成了超长碳纳米管(CNT)和大面积石墨烯，以显着增加平衡梁和悬挂线的长度，从而显着提高了仪器的灵敏度。器件开发方法与半导体工艺兼容，可整合到芯片上的4×4阵列中。

设计和开发扭力平衡和扭力平衡阵列

在设计过程中，Cong等人。选择了单个碳纳米管具有几纳米的直径以形成线，用于悬浮由铝膜涂覆的单层石墨烯制成的超光束。与Kappler仪器相比，该仪器极低的惯性矩在室温下将测量时间缩短至亚秒级，而后者花费了数小时。扭力平衡阵列的开发过程包括形成独立的石墨烯CNT膜，Cong等人(2002年)。转移到预制的硅晶片阵列上。然后，科学家将单个碳纳米管(CNT)作为悬浮线转移到覆盖有石墨烯-CNT(GCF)的基材上。然后，他们在基板的两面沉积了一层铝薄层，以获得高反射率镜，并使用激光去除了部分石墨烯-碳纳米管。最终，

测量和灵敏度表征。

为了克服气流的影响，Cong等人。将CNT扭转平衡器密封在真空室内，并将该室添加到带有高性能层流隔离器的光学工作站上，以将振动和机械噪声与环境隔离。在测量过程中，科学家停止了系统的干泵和涡轮泵，仅维护了离子泵以保持真空状态。为了进行光学测量，研究小组聚焦了几微瓦功率的激光束，以施加光子压力，并使扭转平衡围绕碳纳米管(CNT)线以小角度旋转。然后，他们使用线阵电荷耦合器件测量了感应角(CCD)传感器来检测反射光的位置。镜子的扭转势能与布朗运动理论预测的理论值一致。为了了解天平的性能，Cong等人。在10个不同地点进行了11种不同激光功率的光学读出。扭转振荡频率的平均值不随激光功率而变化。碳纳米管扭转平衡可以以飞牛顿分辨率测量微弱的力，并且可以进一步降低激光功率以避免偏离范围的偏转。激光功率的进一步降低严重影响了角度测量。因此，研究人员建议在测量由较弱的激光施加的次飞牛顿力时，使用第二探测激光束检测偏转角。

外表

这样，Lin Cong及其同事提供了一种可靠的方法来促进扭力平衡，使其对片上应用有吸引力。该团队使用小直径碳纳米管作为悬吊线，改善了碳纳米管扭转平衡的性能。预期的zeptonewton力分辨率可能会打破在超低温下获得的结果记录，这是弱力测量领域的重要突破。可以连续调节碳纳米管的扭转角，以影响通过扭转应变在很宽的范围内产生的电子传输性能。当前的研究是初步的，可以进一步改进。这项工作中详述的片上碳纳米管(CNT)张力平衡提供了基于单个碳的飞牛顿分辨率碳纳米管作为悬吊线，铝化石墨烯-CNT(GCF)作为平衡木和反射镜。碳纳米管扭转摆轮的高灵敏度和简单制造将使新的基础研究能够探索微弱的影响并确定新的物理定律。