作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 扭力平衡装置示意图
它由束长为1的铝/石墨烯/碳纳米管/铝镜组成，由直径为d、悬挂长度为L的单个碳纳米管悬挂
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abd2358 扭秤包含一个由细线悬挂的刚性平衡杆，作为一种古老的科学仪器，至今仍能形成非常灵敏的力传感器
力的灵敏度与梁和螺纹的长度成正比，与螺纹直径的四次方成反比；因此，支持扭转天平的纳米材料应该是理想的构件
在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，林聪和中国的一个量子物理、微电子学和纳米材料研究团队详细描述了一种最高灵敏度芯片上的扭转平衡阵列
该团队通过使用碳纳米管作为细丝，用涂有铝膜的单层石墨烯作为光束和镜子来实现这一点
利用实验装置，丛等
测量弱激光施加的飞秒力
芯片上的天平是研究基本相互作用的理想平台，精确度可达zeptonewton
古代科学仪器的现代角色 扭摆是一种古老的科学仪器，1785年用来发现库仑定律，1798年用来测定地球的密度
该仪器在一系列应用中非常有用，包括精确测定重力常数的现有科学探索
在设置中实现高灵敏度的最有效方法是尽可能减小悬挂螺纹的直径
例如，在1931年，卡普勒等人
使用一根厘米长的线来开发一种高灵敏度的扭力天平，以创下迄今为止尚未达到的内在力灵敏度的记录
目前，碳纳米管是已知的最坚固和最薄的材料之一
在这项工作中，该团队合成了超长碳纳米管和大面积石墨烯，以大幅增加平衡杆和悬挂线的长度，从而显著提高仪器的灵敏度
该器件开发方法与集成到芯片上的4×4阵列的半导体处理兼容
碳纳米管扭转天平的制作工艺
(一)酒精渗透后附着在石墨烯/铜箔上的超对准碳纳米管薄膜
(二)漂浮在腐蚀性溶液中的倒置碳纳米管/石墨烯/铜箔三层结构
将铜蚀刻掉后，用去离子水冲洗玻璃纤维
(四)气相色谱转移到基底上
(五)作为镜子骨架的激光修整的绿色荧光条纹
用单个碳纳米管组装的衬底
(7)半成品扭力天平，10纳米铝膜沉积在玻璃纤维带的两侧
(八)碳纳米管扭转平衡最终通过切断连接部分获得
(1)在步骤(E)之后制造的具有4 × 4阵列碳纳米管扭转天平的硅衬底
比例尺，5毫米
图片来源:清华大学蒋凯里
完成制造过程后，扭转天平的光学显微镜照片
虚线表示碳纳米管线的位置
比例尺，100微米
学分:科学进步，doi: 10
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abd2358 扭秤及扭秤阵列的设计与开发 在设计过程中，丛等人
选择直径为几纳米的单个碳纳米管形成细丝，作为超轻梁悬挂，由涂有铝膜的单层石墨烯制成
该仪器极低的转动惯量将室温下的测量时间缩短到几秒钟，而卡普尔仪器需要几个小时
扭转平衡阵列的发展过程包括形成独立的石墨烯碳纳米管膜，丛等人
转移到预制硅晶片阵列上
然后，科学家们将单个碳纳米管转移到石墨烯-碳纳米管覆盖的基底上，作为悬丝
然后，他们在基底的两面沉积一层薄薄的铝，以获得一面高反射率的镜子，并使用激光去除部分石墨烯-碳纳米管
最终，由于碳纳米管线在光学显微镜下的不可见性，超薄反射镜似乎漂浮在空气中
碳纳米管扭转天平#1的光学测量装置和典型测量结果
(一)扭秤光学读数系统示意图
扭转天平对功率为4的激光束的光学压力的动态响应
86 μW(上)和相应的快速傅里叶变换(FFT)功率谱(下；黑色圆圈代表快速傅立叶变换数据，红色线条代表曲线拟合)
相对于激光功率的平衡偏转角和频率
顶部面板的误差条是从10个独立测量的统计数据中获得的
(四)扭矩对入射光子力
测量中的有效杠杆长度为8
06微米
绿色虚线是在杠杆全长为1/2 = 60微米时的理论扭矩-力关系
学分:科学进步，doi: 10
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abd2358 测量和灵敏度特性
为了克服气流的影响，丛等人
将碳纳米管扭转天平密封在真空室中，并将该室添加到带有高性能层流隔离器的光学工作站上，以将振动和机械噪声与环境隔离
在测量过程中，科学家们停止了系统的干式泵和涡轮泵，只维持离子泵以保持真空活动
对于光学测量，研究小组聚焦了一束功率为几微瓦的激光束，以施加光子压力，并使扭转天平围绕碳纳米管线旋转一个小角度
然后，他们用线阵电荷耦合器件传感器测量感应角度，以检测反射光的位置
镜子的扭转势能与布朗运动理论预测的理论值一致
为了了解天平的性能，丛等人
对10个不同地点的11种不同激光功率进行光学读数
扭转振动频率的平均值不随激光功率而变化
碳纳米管扭转天平能够以飞秒级的分辨率测量微弱的力，并且可以进一步降低激光功率以避免超范围偏转
激光功率的进一步降低严重影响了角度测量；因此，研究人员建议，当测量由较弱激光施加的亚飞秒力时，使用第二束探测激光束来检测偏转角
碳纳米管扭转天平与经典扭转天平的对比图
除了显示每个实验测得的扭转常数κ和梁长L之外，还显示了由1 N产生的偏转角定义的仪器灵敏度，该灵敏度可从L/2κ获得
从浅蓝色到深蓝色的平行线表示灵敏度的数量级，范围从2到13
根据灵敏度的数量级，实验按颜色分组和分开
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abd2358 前景 通过这种方式，林聪和他的同事提供了一种可靠的方法来促进扭转平衡，使其对片上应用具有吸引力
该团队使用小直径碳纳米管作为悬挂线，提高了碳纳米管扭转天平的性能
作为弱力测量领域的一个重要突破，预期的zeptonewton力分辨率可以打破在超低温下获得的结果的记录
碳纳米管的扭转角可以连续调节，以影响通过大范围扭转应变产生的电子传输特性
目前的研究是初步的，可以进一步改进
这项工作中详述的片上碳纳米管张力天平提供了基于单个碳纳米管作为悬丝和镀铝石墨烯-碳纳米管作为平衡梁和镜的飞秒分辨率
碳纳米管扭转天平的高灵敏度和简单制造将允许新的基础研究探索弱效应和确定新的物理定律
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