Обнаружение крошечных закручиваний с помощью наномашины

Исследователи из Бостонского университета совместно с коллегами из Германии, Франции и Кореи разработали наномасштабный торсионный резонатор для измерения ничтожно малых величин закручивания (крутящего момента) в металлической нанопроволоке. Это устройство размером с пылинку может позволить измерять раскручивание ДНК и найти применение в спинтронике, фундаментальной физике, химии и биологии.

Крутящий момент, индуцированный спином, важен для понимания экспериментов — от измерения углового момента фотонов до измерения гиромагнитного фактора металлов. Устройство представляет собой миниатюрную (около 6 микрон) версию гироскопа, измеряющего моменты, создаваемые электронами при изменении их спиновых состояний. По словам Раджа Моханти, адъюнкт-профессора физики Бостонского университета, оно может использоваться для обнаружения новых спиновых фундаментальных сил в физике частиц.

"Это, пожалуй, самое чувствительное измерение крутящего момента из когда-либо зарегистрированных. Величина момента, измеряемого в этом эксперименте, меньше, чем типичный момент, создаваемый раскручиванием двуцепочечной ДНК".

В статье, недавно опубликованной в Nature Nanotechnology под названием "Nanomechanical detection of itinerant electron spin flip", Моханти и его команда разработали высокочувствительный метод прямого измерения крутящего момента с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS) и спинтроники. Их подход заключался в обнаружении и контроле спин-флип момента — явления, возникающего в металлической нанопроволоке, одна половина которой ферромагнитна, а другая — немагнитна. Спины подвижных электронов "переворачиваются" на границе раздела двух областей, создавая крутящий момент.

Команда создала микроскопическое спин-торсионное устройство с помощью электронно-лучевой литографии и наномеханообработки, которое механически измеряет изменения спиновых состояний в магнитном поле. Устройство работало при температуре, близкой к абсолютному нулю (на одну десятую градуса выше).

Исследователи также работают над демонстрацией обратного эффекта. При приложении внешнего крутящего момента электроны со спином "вверх" и "вниз" могут быть разделены в физически различные области, создавая "спиновую батарею". Это аналогично обычной зарядовой батарее с положительным и отрицательным полюсами. При подключении электрической цепи ток течёт от одной стороны к другой. Но вместо электрического тока в спиновой батарее происходит поток спина, который можно использовать для хранения и обработки информации — основы развивающейся технологии спинтроники.

"Измерения с помощью наномасштабного торсионного резонатора будут полезны для обнаружения новых фундаментальных сил и, в теории, для характеристики молекул и ДНК, создающих крутящий момент".

Источник: Бостонский университет