АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико - Новый класс очень маленьких портативных устройств может обнаруживать движение в тысячу раз тоньше, чем любой известный инструмент.
«В [оптике] литературе не было ничего, что предсказывало бы, что это произойдет», - говорит исследователь Sandia National Laboratories Дастин Карр об устройстве своей группы, которое отражает яркий свет от очень маленького движущегося объекта.
Sandia - лаборатория Национального управления по ядерной безопасности.
Карр, ранее прославившийся как аспирант Корнеллского университета за создание наногитары, был выбран на этой неделе научным журналом Массачусетского технологического института Technology Review одним из 100 лучших исследователей года в возрасте до 35 лет.
Устройство, на которое подана заявка на патент, станет предметом приглашенного доклада на конференции SPIE Optics East в Филадельфии в октябре, с которым выступила член команды Sandia Бьянка Киллер.
Подобно теневым изображениям, проецируемым на стену светом, проходящим через пальцы одной руки, движущимся по пальцам другой, относительно простое измерительное устройство зависит от ранее неизвестного свойства оптики: свет, преломляющийся на очень маленьких решетках, которые перемещаясь на очень малые расстояния в поперечном направлении, претерпевает относительно большое и, таким образом, легко измеримое изменение при отражении. По словам Карра, движение в 10 нанометров можно увидеть невооруженным глазом.
Нанометр - это одна тысячная микрона, что составляет одну миллионную часть метра.
Что касается устройства, размер имеет значение, а маленький размер имеет решающее значение. «В стандартных MEMS [микроэлектромеханических] приложениях, несмотря на то, что устройства небольшие, очень немногие из продаваемых продуктов ориентированы на дальнейшую миниатюризацию. В MEMS нет мотивации делать вещи еще меньше из-за стоимости. Экономика масштаба для интегральных схем просто не применима к МЭМС. Но наше устройство не могло бы существовать, если бы вы не сделали его таким маленьким», - говорит он. Характеристики находятся в диапазоне 100-200 нанометров, с 300 нм между верхней и нижней гребенками и от 600 до 900 нм между зубьями гребенки..
Эффекты субволновой интерференции вызывают визуальное отображение.
"Использование эффекта становится довольно очевидным, как только вы осознаете, что это происходит", - говорит он.
Изготовленная из поликремния с помощью стандартных методов литографии, подобных тем, которые используются для изготовления устройств MEMS, система Sandia использует две крошечные гребенчатые структуры (вместо пальцев), наложенные друг на друга. Нижний гребень жестко фиксируется на месте. Верхняя гребенка фиксируется только горизонтальными пружинами. При малейшем движении верхний гребень скользит по нижнему гребню, деформируя решетку в поперечном направлении. Очень маленькое возмущение неожиданно сильно изменяет амплитуду света - от видимого до ближнего инфракрасного диапазона - дифрагированного от крошечного лазерного луча, падающего на прибор.
Измерительное устройство, все еще находящееся в лабораторной стадии, на самом деле является разновидностью акселерометра размером примерно с недорогие микроэлектромеханические устройства, открывающие автомобильные подушки безопасности. Устройство, изготовленное по тем же технологиям, что и массовое производство кремниевых компьютерных чипов, имеет множество возможных применений.
«Если вы можете сделать очень чувствительные детекторы очень дешевыми и очень маленькими, они найдут огромное применение», - говорит Карр. «Сделанные маленькими, синхронизированными, дешевыми и размещенными на каждом блоке, мы могли бы получать данные со всех этих датчиков одновременно и измерять движение Земли, когда нет землетрясения. Таким образом, мы могли бы узнать, что приводит к одному из них».
Другое использование может быть для контроля заноса и контроля тяги в автомобилях, определяя, движется ли задняя часть автомобиля в направлении, отличном от переднего.
«Такие устройства также могут заменить инерциальные навигационные системы», - говорит Карр. Обычно для этого требуются большие гироскопы, чтобы коммерческие самолеты двигались по заданному курсу.«У нас могли бы быть карманные устройства на автомобилях Volkswagen, которые работали бы даже в туннеле».
Возможны и другие оборонные применения, говорит он.
Он видит временные рамки от трех до пяти лет, прежде чем устройства станут доступны для использования.
Говорит Джеймс Уокер, бывший директор по передовым технологиям в Tellium, Inc., бывший менеджер группы подсистем сетевых элементов MEMS в Lucent, Bell Laboratories, а ныне независимый консультант и патентный поверенный: «Насколько я понимаю,, впервые кто-либо попытался манипулировать оптической областью ближнего поля, чтобы повлиять на изменения характеристик дальнего поля решетки. Возможность сделать это является прямым результатом наномасштабной природы устройства., Благодаря высокому соотношению чувствительности к смещению, я вижу, что он имеет важное и далеко идущее применение в таких разнообразных областях, как химическое зондирование, инфракрасное изображение, акселерометрия и дисплеи».
Sandia - это многопрограммная лаборатория, управляемая Sandia Corporation, компанией Lockheed Martin, для США. С. Национальное управление ядерной безопасности Министерства энергетики. Имея основные объекты в Альбукерке, штат Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния, Sandia несет основную ответственность за исследования и разработки в области национальной безопасности, энергетических и экологических технологий, а также экономической конкурентоспособности.