所述扭秤包含由螺紋細(xì)懸浮作為繼續(xù)形成一個(gè)非常敏感的力傳感器迄今為止一個(gè)古老的科學(xué)儀器的剛性平衡梁。力敏感度與橫梁和螺紋的長(zhǎng)度成正比，與螺紋直徑的四次方成反比。因此，支持扭轉(zhuǎn)平衡的納米材料應(yīng)該是理想的構(gòu)件。在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的新報(bào)告中，林聰和量子物理學(xué)，微電子學(xué)和納米材料研究團(tuán)隊(duì)已將靈敏度平衡級(jí)別最高的芯片上的扭力平衡陣列進(jìn)行了詳細(xì)描述。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用碳納米管作為線和涂有鋁膜的單層石墨烯作為光束和反射鏡來(lái)促進(jìn)這一過(guò)程。使用實(shí)驗(yàn)裝置，Cong等。測(cè)量了弱激光施加的飛牛頓力。芯片上的天平是研究精度高達(dá)zeptonewton的基本相互作用的理想平臺(tái)。

古代科學(xué)儀器的現(xiàn)代角色

該扭擺是用一個(gè)古老的科學(xué)儀器發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律在1785年，并確定在1798年地球的密度。該儀器可用于多種應(yīng)用，包括精確確定重力常數(shù)的現(xiàn)有科學(xué)探索。在設(shè)置中實(shí)現(xiàn)高靈敏度的最有效方法是通過(guò)盡可能減小吊線的直徑。例如，在1931年，Kappler等人。用一厘米長(zhǎng)的線形成了高度靈敏的扭力平衡，從而創(chuàng)下了迄今為止尚未達(dá)到的內(nèi)在力靈敏性的記錄。目前，碳納米管形成已知最堅(jiān)固和最薄的材料之一。在這項(xiàng)工作中，研究小組合成了超長(zhǎng)碳納米管(CNT)和大面積石墨烯，以顯著增加平衡梁和懸掛線的長(zhǎng)度，從而顯著提高了儀器的靈敏度。器件開發(fā)方法與半導(dǎo)體工藝兼容，可整合到芯片上的4×4陣列中。

設(shè)計(jì)和開發(fā)扭力平衡和扭力平衡陣列

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，Cong等人。選擇了單個(gè)碳納米管具有幾納米的直徑以形成線，用于懸浮由鋁膜涂覆的單層石墨烯制成的超光束。與Kappler儀器相比，該儀器極低的慣性矩在室溫下將測(cè)量時(shí)間縮短至亞秒級(jí)，而后者花費(fèi)了數(shù)小時(shí)。扭力平衡陣列的開發(fā)過(guò)程包括形成獨(dú)立的石墨烯CNT膜，Cong等人(2002年)。轉(zhuǎn)移到預(yù)制的硅晶片陣列上。然后，科學(xué)家將單個(gè)碳納米管(CNT)作為懸浮線轉(zhuǎn)移到覆蓋有石墨烯-CNT(GCF)的基材上。然后，他們?cè)诨宓膬擅娉练e了一層鋁薄層，以獲得高反射率鏡，并使用激光去除了部分石墨烯-碳納米管。最終，

測(cè)量和靈敏度表征。

為了克服氣流的影響，Cong等人。將CNT扭轉(zhuǎn)平衡器密封在真空室內(nèi)，并將該室添加到帶有高性能層流隔離器的光學(xué)工作站上，以將振動(dòng)和機(jī)械噪聲與環(huán)境隔離。在測(cè)量過(guò)程中，科學(xué)家停止了系統(tǒng)的干泵和渦輪泵，僅維護(hù)了離子泵以保持真空狀態(tài)。為了進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，研究小組聚焦了幾微瓦功率的激光束，以施加光子壓力，并使扭轉(zhuǎn)平衡圍繞碳納米管(CNT)線以小角度旋轉(zhuǎn)。然后，他們使用線陣電荷耦合器件測(cè)量了感應(yīng)角(CCD)傳感器來(lái)檢測(cè)反射光的位置。鏡子的扭轉(zhuǎn)勢(shì)能與布朗運(yùn)動(dòng)理論預(yù)測(cè)的理論值一致。為了了解天平的性能，Cong等人。在10個(gè)不同地點(diǎn)進(jìn)行了11種不同激光功率的光學(xué)讀出。扭轉(zhuǎn)振蕩頻率的平均值不隨激光功率而變化。碳納米管扭轉(zhuǎn)平衡可以以飛牛頓分辨率測(cè)量微弱的力，并且可以進(jìn)一步降低激光功率以避免偏離范圍的偏轉(zhuǎn)。激光功率的進(jìn)一步降低嚴(yán)重影響了角度測(cè)量。因此，研究人員建議在測(cè)量由較弱的激光施加的次飛牛頓力時(shí)，使用第二探測(cè)激光束檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角。

外表

這樣，Lin Cong及其同事提供了一種可靠的方法來(lái)促進(jìn)扭力平衡，使其對(duì)片上應(yīng)用有吸引力。該團(tuán)隊(duì)使用小直徑碳納米管作為懸吊線，改善了碳納米管扭轉(zhuǎn)平衡的性能。預(yù)期的zeptonewton力分辨率可能會(huì)打破在超低溫下獲得的結(jié)果記錄，這是弱力測(cè)量領(lǐng)域的重要突破?？梢赃B續(xù)調(diào)節(jié)碳納米管的扭轉(zhuǎn)角，以影響通過(guò)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)產(chǎn)生的電子傳輸性能。當(dāng)前的研究是初步的，可以進(jìn)一步改進(jìn)。這項(xiàng)工作中詳述的片上碳納米管(CNT)張力平衡提供了基于單個(gè)碳的飛牛頓分辨率碳納米管作為懸吊線，鋁化石墨烯-CNT(GCF)作為平衡木和反射鏡。碳納米管扭轉(zhuǎn)擺輪的高靈敏度和簡(jiǎn)單制造將使新的基礎(chǔ)研究能夠探索微弱的影響并確定新的物理定律。