Nanotehnoloogia esirinnas mõtlevad teadlased välja miniatuurseid masinaid, mis teeksid ära suure töö – alates haiguste ravist kuni päikesekiirtest energia ammutamiseni. Mida kaugemale selle tehnoloogia piire aga lükatakse, seda väiksemaks ja tundlikumaks need masinad muutuvad, mistõttu juba üksikute aatomite käitumine võib kogu seadme toimimist häirida. Esmakordselt mõõtsid ja iseloomustasid Caltechi teadlased need aatomtasandi võnked, mis statistilist müra tekitavad, nanoskaalas seadmes ära.
Vasakul: düüs pihustab seadmele ksenoongaasi. Keskel: lähivõte silla-sarnasest resonaatorist. Paremal: aatomite kleepumine, lahtitulek ja pinnalt maha libisemine. Pilt: Philip Feng. Modified image reprinted with permsision from Nano Lett., 2011, 11 (4), pp. 1753-1759. Copyright 2011 American Chemical Society.
Kaks aastat tagasi valmistas füüsiku Michael Roukes’i töörühm maailma esimese nanomehaanilise mass-spektromeetri, tänu millele teadlased saavad mõõta üksiku bioloogilise molekuli massi. Seade – väikest silda meenutav resonaator – koosneb 2-mikroni pikkuse ja 100-nanomeetri laiuse materjali õhukesest ribast, mis võngub mitmesaja megahertsisel resonantssagedusel. Kui aatom sillale asetatakse, muutub selle võnkesagedus proportsionaalselt aatomi massiga, kirjutab Physorg.com.
Üha tundlikemate seadmetega tulevad aga mängu ka aatomite juhuslikud liikumised, mis tekitavad statistilist müra. ,,See on justkui udu või suits, mis varjab seda, mida mõõta tahetakse,” sõnas Roukes. Et signaali mürast eristada, peavad teadlased mõistma, mis seda põhjustab.
Roukes ja kolleegid otsustasid seda müra mõõta NEMSi resonaatoris. Nende uurimustöö tulemused ilmusid teadusajakirja Nano Letters aprillikuu väljaandes.
Oma eksperimendis pihustasid teadlased ksenoongaasi sillasarnasele resonaatorile, mis oli sarnane nende valmistatud bioloogiliste molekulide massi mõõtmise resonaatoriga. Ksenoon võib pinnal aatomkihi paksuseks kihiks koguneda, justnagu lauda katvad marmorkuulikesed. Sellises struktuuris ehk nn. monokihis on aatomid nii tihedalt kokku pakitud, et neil pole liikumiseks pea üldse ruumi. Et aga uurida müra, valmistasid teadlased asendus-monokihi, millel pole piisavalt aatomeid, et resonaatori pinda täielikult katta. Lisaruumi tõttu on aatomitel rohkem liikumisruumi, põhjustades nii süsteemi rohkem müra.
Asendus-monokihi aatomid teevad ühte kolmest: nad kleepuvad pinnale, tulevad pinnalt lahti või lendavad ära või hoopiski libisevad minema. Füüsikalises kõnepruugis aatomid kas neelduvad, desorbeeruvad või hajuvad. Varasemates teooriates pakuti välja, et müra tekib peamiselt aatomite kleepumisest ja lahtitulekust. Nüüd võisid teadlased aga jälgida, mis sellises seadmes tegelikult aset leiab – leiti, et müras on domineeriv just hajumine. Teadlaste sõnul on tähelepanuväärne see, et leiti, et kui aatom mööda resonaatori pinda libiseb, siis põhjustab see võnkesageduse varieerumist. See on esimene kord, kui keegi seda efekti mõõtnud on, sest eelnevad seadmed polnud sellise hajumise suhtes piisavalt tundlikud. Samuti leiti sagedusmüra spektrites uusi astmelisi sõltuvusi – kvantitatiivseid seletusi sagedustele, millega aatomid võnguvad.
Teadusartikkel: “Surface Adsorbate Fluctuations and Noise in Nanoelectromechanical Systems“