Прослушивание с использованием оптического пинцета (Listening in using optical tweezers)
Представляем «нано-ухо»
Физики в Германии разработали первое в мире «нано-ухо»,- устройство, способное обнаруживать звук на микроскопических масштабах длины, с чувствительностью на шесть порядков ниже порога восприятия человеческого слуха. Устройство основано на оптической ловушке наночастиц золота, и его изобретатели утверждают, что оно может быть использовано, чтобы «слушать» биологические микроорганизмы, а также исследовать движения и вибрации крошечных машин.
Частицы могут оказаться в ловушке с помощью «оптического пинцета», который образуется, когда лазерный луч фокусируется на точке пространства. Электрический дипольный момент индуцируется в частице и она перемещается в наиболее интенсивную часть электрического поля лазера. Техника была открыта в 1980-х годах и используется обычно в исследовательских лабораториях по всему миру. Это особенно полезно для работы с биологическими объектами, так как оптическое поле используемое, чтобы сделать ловушку не является разрушающим.
Теперь, группа исследователей во главе с Йохеном Фельдманом (Jochen Feldmann) и Андреем Лютичем (Andrey Lutich) из университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене показали, что частицы внутри оптической ловушки могут также использоваться в качестве чрезвычайно чувствительного на незначительный звук детектора. Исследователи обнаружили, что захваченные частицы могут двигаться около положения равновесия от колебаний близлежащих звуковых волн. Частоту звука можно вычислить, анализируя, как много частиц сместилось.
Звук источников
Установка исследователей состояла из двух источников звука помещенных в водной среде. Первый «громкий» источник - вольфрамовая игла наклеенная на громкоговоритель, который вибрирует с частотой 300 Гц. Второй, более слабый источник состоит из пучков наночастиц золота, которые периодически нагреваются вторым лазером для создания звуковых волн на частоте 20 Гц. Нано-ухо ? это 60 нм наночастиц золота, захваченных в луче лазера длиной волны 808 нм.
Когда один из источников звука включен, последующие колебания вызывают движение запертой частицы в том же направлении, что и распространяющиеся звуковые волны.
Олинджер (Ohlinger) и его коллеги использовали видеокамеры для отслеживания движения запертых частиц. Они затем проверили, насколько чувствительно их нано-ухо, анализируя записанные траектории частицы. В результате частотный спектр источников звука накладывается на спектр частот броуновского движения частицы в ловушке.
Сверхчувствительный детектор звука
Спектры ясно показывают,- один пик наложенный на частоте источника звука. Дальнейший анализ показывает, что нано-ухо может обнаружить вибрации на уровне мощности ниже, чем -60 дБ, что на шесть порядков ниже, чем порог слышимости человеческого уха.
По словам исследователей, устройство может быть использовано для анализа звуков, издаваемых живыми микроорганизмами, такими как бактерии и вирусы. Оно также может быть использовано для исследования искусственных микрообъектов, которые производят акустические колебания, но которые не могут быть непосредственно визуализированы в оптический микроскоп из-за сильного поглощения света и рассеяния.
«Мы могли бы даже быть в состоянии разработать новый тип ?акустической микроскопии?, так как можно сделать очень чувствительный датчик звука в непосредственной близости от микроскопических объектов», говорит Александр Олинджер.
Работа описана в журнале
Physical Review Letters
.
Что если такие датчики звука использовать для обнаружения удаленного шумящего объекта. Раз спектр можно определить, то можно выделить спектр шумящего винта находящегося на большом расстоянии. Задача, сделать нано- ухо направленным, чтобы можно было определять направление на источник. Для это нужно два нано-уха с учетом запаздывания сигнала.