Các nhà vật lí ở Đức vừa phát triển “tai nano” đầu tiên có khả năng phát hiện âm thanh ở thang vi mô với độ nhạy ước tính là sáu bậc độ lớn dưới ngưỡng nghe của con người. Dụng cụ xây dựng trên một hạt nano vàng bị bẫy quang học, và những người phát minh ra nó khẳng định nó có thể dùng để “lắng nghe” các vi sinh vật đồng thời nghiên cứu chuyển động và dao động của những cỗ máy nhỏ xíu.
Các hạt có thể bị bẫy trong những “nhíp quang học”, chúng được hình thành khi ánh sáng laser hội tụ vào một điểm trong không gian. Một moment lưỡng cực điện cảm ứng ở trong hạt và nó chịu chi phối bởi thành phần cường độ mạnh nhất của điện trường của laser. Kĩ thuật trên được phát triển hồi thập niên 1980 và đã được sử dụng rộng rãi trong các phòng nghiên cứu trên khắp thế giới. Nó đặc biệt có ích trong việc thao tác với những đối tượng sinh học, vì trường quang học tạo ra bẫy không có tính xâm hại.
Alexander Ohlinger và các đồng sự tại trường Đại học Ludwig-Maximilians ở Munich vừa chứng minh rằng một hạt ở bên trong một cái bẫy quang còn có thể dùng làm một máy dò âm thanh nhỏ xíu và cực nhạy. Các nhà nghiên cứu tìm thấy hạt bị bẫy có thể được làm cho chuyển động từ vị trí cân bằng của nó bằng những dao động từ những sóng âm ở gần đó. Khi đó có thể tính ra tần số của sóng âm bằng cách phân tích xem hạt đã dịch chuyển bao nhiêu.
Một hạt nano bị bẫy quang học có thể tác dụng như một máy dò âm thanh cực nhạy. Sóng áp suất phát ra từ một nguồn âm ở gần được phát hiện ra bằng cách theo dõi những sự dịch chuyển nhỏ của một hạt nano vàng bị bẫy khỏi vị trí cân bằng của nó tại cổ thắt của một chùm laser hội tụ (vùng màu đỏ). Sóng âm sinh ra bởi một tập hợp hạt nano dao động khi bị một laser làm cho nóng lên (vùng màu xanh). Ảnh: APS
Các nguồn âm
Bố trí thí nghiệm của đội nghiên cứu gồm hai nguồn âm đặt trong một môi trường gốc nước. Nguồn “ầm ĩ” thứ nhất là một cái kim tungsten dán trên màng loa dao động ở tần số 300 Hz. Nguồn thứ hai, yếu hơn gồm những chùm hạt nano vàng được làm nóng lên tuần hoàn bởi một laser thứ hai tạo ra sóng âm ở tần số 20 Hz. Tai nano là một hạt nano vàng 60 nm bẫy trong một chùm laser bước sóng 808 nm.
Khi một trong hai nguồn âm bật lên, thì các dao động sau đó làm cho hạt bị bẫy chuyển động cùng chiều với sóng âm đang lan truyền.
Ohlinger và các đồng sự đã sử dụng một video camera theo dõi chuyển động của hạt bị bẫy. Sau đó, họ kiểm tra tai nano của họ nhạy bao nhiêu bằng cách phân tích quỹ đạo ghi lại được của hạt. Kết quả là một phổ tần số của các nguồn âm đó chồng lên phổ tần số của chuyển động Brown của hạt bị bẫy.
Máy dò âm thanh cực nhạy
Phổ thu được cho thấy một cực đại chồng lên, rõ ràng tại tần số của nguồn âm. Phân tích thêm cho thấy tai nano đó có thể phát hiện những dao động ở mức công suất thấp cỡ - 60 dB, tức là thấp hơn sáu bậc độ lớn so với ngưỡng nghe của con người.
Theo đội nghiên cứu, dụng cụ trên còn có thể dùng để phân tích âm thanh tạo ra bởi những vi sinh vật sống, ví dụ như vi khuẩn và virus. Nó còn có thể dùng để nghiên cứu những đối tượng vi mô nhân tạo gây ra những dao động âm nhưng không thể hình dung trực tiếp trong một kính hiển vi quang học vì sự hấp thụ và tán xạ mạnh ánh sáng.
“Chúng tôi còn có thể phát triển một loại “kính hiển vi âm học” mới với số liệu quang học dựa trên một tập hợp những tai nano phân bố trong một mẩu có thể ‘lắng nghe’ những tín hiệu âm thanh,” Ohlinger nói. “Một kĩ thuật như thế sẽ hoạt động bằng cách thu thập biên độ, pha và hướng truyền của các sóng âm để có cái nhìn sâu vào nguồn phát của những tín hiệu này.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
