Impresión artística del sensor en forma de trampolín. El rayo láser que pasa por el centro de la membrana del trampolín crea vibraciones armónicas dentro del material. Crédito: Sciencebrush
Físicos de la Universidad Tecnológica de Delft han desarrollado una nueva tecnología en un microchip, combinando por primera vez dos métodos ganadores del Premio Nobel. El microchip es capaz de medir con precisión distancias en materiales, lo que podría tener aplicaciones en áreas como la medición bajo el agua y las imágenes médicas.
La nueva tecnología, que utiliza vibraciones de sonido en lugar de luz, puede ser útil para obtener mediciones de posición de alta precisión en materiales opacos. Este avance podría resultar en el desarrollo de nuevos métodos para monitorear el clima de la Tierra y la salud humana. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Communications.
Tecnología sencilla y de bajo consumo
El microchip consiste principalmente en una fina lámina de cerámica con forma de trampolín. Este trampolín está modelado con agujeros para mejorar su interacción con los láseres y es unas 1000 veces más fino que el grosor de un cabello humano. Como ex Ph.D. Como candidato en el laboratorio de Richard Norte, Matthijs de Jong estudió los diminutos trampolines para averiguar qué sucedería si les apuntaran con un simple rayo láser. La superficie del trampolín comenzó a vibrar intensamente. Al medir la luz láser reflejada en la superficie vibrante, el equipo notó un patrón de vibraciones en forma de peine que nunca antes habían visto. Se dieron cuenta de que la firma en forma de peine del trampolín funciona como una regla para medir distancias con precisión.
Esta nueva tecnología se puede usar para medir posiciones en materiales usando ondas de sonido. Lo que lo hace especial es que no necesita ningún hardware de precisión y, por lo tanto, es fácil de producir. “Solo requiere la inserción de un láser y nada más. No hay necesidad de bucles de retroalimentación complejos o ajustar ciertos parámetros para que nuestra tecnología funcione correctamente. Esto la convierte en una tecnología muy simple y de bajo consumo, mucho más fácil de miniaturizar en un microchip”, dice Norte. “Cuando eso suceda, realmente podríamos colocar estos sensores de microchip en cualquier lugar dado su pequeño tamaño”.
combinación única
La nueva tecnología se basa en dos técnicas no relacionadas ganadoras del Premio Nobel llamadas captura óptica y peines de frecuencia. North: “Lo interesante es que ambos conceptos suelen estar relacionados con la luz, pero estos campos no se superponen realmente. Los hemos combinado de manera única para crear una tecnología de microchip fácil de usar basada en ondas de sonido. Esta facilidad de uso podría tener implicaciones significativas sobre cómo medimos el mundo que nos rodea”.
connotaciones
Cuando los investigadores apuntaron un rayo láser al diminuto trampolín, se dieron cuenta de que las fuerzas que el láser ejercía sobre él estaban creando vibraciones armónicas en las membranas del trampolín. “Estas fuerzas se denominan atrapamiento óptico, porque pueden atrapar partículas en un punto usando luz. Esta técnica ganó el Premio Nobel en 2018 y permite manipular hasta las partículas más pequeñas con extrema precisión”, explica Norte. “Puedes comparar los armónicos del trampolín con notas específicas de un violín. La nota o frecuencia que produce el violín depende de dónde coloques el dedo en la cuerda. Si toca la cuerda ligeramente y la toca con un arco, puede crear armónicos; una serie de notas a frecuencias más altas. En nuestro caso, el láser actúa como un toque suave y como un arco para inducir vibraciones armónicas en la membrana del trampolín”.
Uniendo dos campos innovadores
“Los peines ópticos de frecuencia se utilizan en laboratorios de todo el mundo para mediciones muy precisas de tiempo y distancias”, dice Norte. “Son tan importantes para las mediciones en general que su invención ganó un Premio Nobel en 2005. Hicimos una versión acústica de un peine de frecuencia, hecho de vibraciones de sonido en la membrana en lugar de luz. Los peines de frecuencia acústica pueden, por ejemplo, realizar mediciones de posición en materiales opacos, a través de los cuales las vibraciones se pueden propagar mejor que las ondas de luz. Esta tecnología podría, por ejemplo, usarse para mediciones de precisión submarinas para monitorear el clima de la Tierra, para imágenes médicas y para aplicaciones en tecnologías cuánticas».
Referencia: “Peines mecánicos de frecuencia armónica” por Matthijs HJ de Jong, Adarsh Ganesan, Andrea Cupertino, Simon Gröblacher y Richard A. Norte, 16 de marzo de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-36953-8
