Karolina Orłowska, doktorantka z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki PWr, sprawdza, z jaką siłą strumień fotonów uderza w dany obiekt. Wykorzystuje do tego nowoczesne narzędzia do pomiarów w nanoskali – układów MikroElektroMechanicznych (MEMS)

– Kiedyś wydawało mi się, że bardzo małe masy to np. bakterie. W świecie, w którym teraz się obracam, okazuje się, że bakterie to giganty – śmieje się doktorantka. – Dzięki skomplikowanym mikroskopom elektronowym możemy obserwować obiekty ekstremalnie małe, a dzięki układom MEMS także je mierzyć i ważyć – dodaje. Jej badania polegają na pomiarach strumienia światła padającego na specjalną mikrobelkę krzemową.

Rzut fotonami w belkę

Badaczka tłumaczy, że gdy rzucamy np. kamieniem w mur, to możemy zaobserwować wgłębienie które ten kamień zrobi. – Widzimy efekt działania siły. Żeby zaobserwować takie zjawisko na poziomie fotonów, trzeba mieć odpowiedni układ urządzeń, które będą w stanie to zarejestrować. W moich badaniach „rzucam” fotonami na specjalną belkę krzemową, która częściowo przewodzi prąd.  Belka zachowuje się wtedy jak mikro trampolina – wyjaśnia doktorantka z W-12.

Do badania tego zjawiska wykorzystuje układy MikroElektroMechaniczne (ang. MicroElectroMechanical Sysyem, MEMS). Są to struktury znacznie mniejsze, lżejsze, ale i szybsze niż ich odpowiedniki makroskopowe. To niewielkie przetworniki, których zadaniem jest przetworzenie sygnału mechanicznego na elektryczny.

– Dokładność tej konwersji wyznacza rozdzielczość, tj. najmniejsza porcja wybranej wielkości fizycznej, jaką można zmierzyć z udziałem tego przetwornika. Chcąc jednak podać dokładną wartość tej zmiany w sensie metrologicznym, potrzebny jest wzorzec, który nie został jeszcze opracowany – mówi Karolina Orłowska.

Doktorantka mierzy siłę, z jaką belka ugnie się pod wpływem działania siły fotonów.  W tym celu musiała zaprojektować odpowiednią belkę, która będzie odbijać światło. – Jeżeli promieniowanie świetle pada na jakiś obiekt, mogą się wydarzyć różne rzeczy. Na przykład światło „nie zauważy” go, może też zostać zaabsorbowane, czyli wchłonięte przez strukturę, albo może się odbić. Z mojego punktu widzenia, właśnie te odbicia są najciekawsze. Dzięki temu możliwe jest dokonanie pomiaru siły. Mówimy tu o wielkościach rzędu pikoniutonów – wyjaśnia doktorantka z PWr.

Waga w mikroskali

Jej zamiarem jest stworzenie mikrowagi, bazującej na rozwiązaniach zastosowanych w wadze prądowej. To urządzenie stosowane przez amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii do pomiarów kilograma. – Naukowcy uznali, że używany od XIX wieku wzorzec kilograma z Sevres, jest niedokładny. Dlatego opracowali inną metodę pomiarów. Masę wyliczają z użyciem prądowej wagi, równoważąc ciężar siłą działającą na przewodnik z prądem w polu magnetycznym – tłumaczy Karolina Orłowska, które chce zastosować podobne rozwiązanie w makroskali.

Wyjaśnia, że gdy strumień fotonów o określonej mocy optycznej odbija się od powierzchni sprężystej mikrobelki, dochodzi do zmiany pędu, która bezpośrednio przekłada się na działanie siły – siły fotonów. – Jeśli moc optyczna jest ściśle zdefiniowana, znana jest również siła. To daje duże możliwości, m.in.  wyznaczenia najważniejszego parametru mechanicznego, jakim jest sztywność, a także pomiaru oddziaływań optomechanicznych.

Prowadzone przez Karolinę Orłowską badania mają charakter podstawowy. Mogą być wykorzystywane w naukach biologicznych czy chemicznych, np. przy pomiarach siły molekularnych.

Na co dzień doktorantka pracuje w Zakładzie Nanometrologii PWr, pod kierownictwem prof. Teodora Gotszalka. Niedługo jednak wyjeżdża na trzymiesięczny staż naukowy do Włoch, w ramach grantu Etiuda przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki.  Będzie się szkolić na uniwersytecie w Pawii niedaleko Mediolanu. – To uczelnia z tradycjami sięgającymi XIII wieku, tam badania nad prądem prowadził m.in. Alessandro Volta – mówi doktorantka. W zespole prof. Paolo di Barby zamierza nabrać większego doświadczenia w symulacjach i optymalizacjach urządzeń, tak aby móc je stosować do projektowania mikrobelek.

ISZ