Micro-cantilever

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 466 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Nous présentons une méthode de détermination quantitative de la force photonique (PF) – la force générée par la pression de rayonnement des photons réfléchis par la surface. Nous proposons un dispositif expérimental intégrant un système microélectromécanique (MEMS) innovant optimisé pour la détection de la force des photons (pfMEMS). Un microcantilever actif a été utilisé comme détecteur de force, tandis que la mesure a été effectuée dans une configuration en boucle fermée avec compensation de force électromagnétique. Contrairement à nos travaux précédents, cette méthode de mesure fournit une évaluation quantitative et non qualitative de l'interaction PF. La configuration finale de la balance de courant convient aux sources lumineuses allant de dizaines de microwatts à quelques watts. Dans notre article, nous présentons les résultats des expériences réalisées, dans lesquelles nous avons mesuré les interactions PF dans la plage allant jusqu'à 67,5 pN avec une résolution de 30 fN dans la mesure statique.

La nanométrologie, définie comme la description quantitative de phénomènes à l'échelle nanométrique, recherche des normes d'étalonnage métrologiques spécifiques. À cette fin, des systèmes microélectromécaniques (MEMS) précis sont en cours de construction1, utilisant une série de techniques d'actionnement et de détection de déviation2,3. Grâce à l’utilisation de dispositifs nanométrologiques, il est possible de mesurer des distances jusqu’au femtomètre4 et des forces jusqu’au femtonewtons5,6 – l’ordre de grandeur auquel la force photonique (PF) est mesurable.

La force induite à la surface par un faisceau lumineux a été prédite au XIXe siècle par Maxwell et Bartoli dans les descriptions théoriques des ondes électromagnétiques. La PF n’a pas été prouvée expérimentalement jusqu’à l’invention du radiomètre Nichols en 19017. Depuis cette présentation, pendant plus d’un siècle, différentes méthodes de mesures de PF ont été créées, notamment les approches par balance de torsion8, électrostatique9 et piézoélectrique10.

Il existe de nombreuses applications basées sur le phénomène PF. Les technologies les plus reconnaissables sont la manipulation de particules fines dans des pinces optiques11, et la force induite par les photons est également considérée comme un moteur de propulsion potentiel dans les solutions spatiales12.

La technologie actuelle permet de générer des faisceaux lumineux d'une puissance comprise entre pW et PW (1015 W). Les phénomènes optomécaniques font l'objet d'une métrologie haute résolution et traçable. Ceci est du plus grand intérêt pour les hautes et basses énergies, car dans les deux cas, le flux de photons peut être utilisé pour actionner le déplacement des systèmes et dispositifs mécaniques.

À l’échelle nanométrique, l’interaction PF peut exercer une force sur la structure avec une résolution de force extrêmement élevée. Le PF peut être contrôlé électroniquement avec précision avec une source de rayonnement bien caractérisée et encore mieux dans une configuration à action inverse. Dans ce cas, les dispositifs actionnés par PF peuvent être utilisés dans différents environnements. Cependant, dans les solutions métrologiques, la force doit être calibrée. Il est donc nécessaire de concevoir des dispositifs métrologiques pour mesurer les interactions PF avec une haute résolution et répétabilité.

Du point de vue historique, une balance des courants a été utilisée pour déterminer l'état d'équilibre entre la gravité d'un objet et la force électromagnétique d'un électro-aimant. Dans la balance actuelle, comme son nom l'indique, la force de gravité est exprimée par les quantités électriques de courant et de tension. La sensibilité de la balance actuelle est limitée par la sensibilité des détecteurs de déplacement. Cela crée un dispositif métrologique et la possibilité d'exprimer les forces (à l'origine le poids) avec des grandeurs électriques. Dans cette configuration, même des forces très fines peuvent être détectées, car la sensibilité est déterminée par les propriétés mécaniques du balancier et la sensibilité du capteur de déplacement.

Les MEMS sont des outils fréquemment utilisés dans les mesures de forces fines, ils ont donc également été utilisés dans les mesures des interactions PF. Les approches couvrent l'utilisation d'un microcantilever comme transducteur force-déflexion13, une compensation active de la déflexion a également été introduite14. Cependant, à notre connaissance, il n'existe aucun travail introduisant une configuration MEMS avec compensation directe de force de mesure de PF.