科学家发现最小尺度的超级传感器

研究结果可能会增强安全技术并有助于量子传感器的开发。这项研究利用塞贝克效应(两个世纪前发现的一种热电现象)来识别通过阿克测量的分子的热和光特征，阿克是十亿分之一克，或者比一美元钞票轻10^18倍。最重的约52阿克，最轻的约40阿克。

“这基本上是第一次有人报道在普通条件下检测到这种小物质的光谱信号，”橡树岭国家实验室的研究科学家、该研究的合著者阿里·帕西安(AliPassian)说。“这项技术本身并不新鲜。但探索传感物理学并提出正确的问题是关键。这一发现可能为广泛部署廉价、可靠和准确的传感器铺平道路，用于多种用途。”

帕西安与布法罗大学的科学家姚丽·赵、帕塔特里·查克拉博蒂和托马斯·桑达特合作进行了这项研究。

塞贝克效应以德国物理学家托马斯·塞贝克的名字命名，描述了由两种不同的电导体(例如由不同金属制成的两根电线)组成的电路在受热时因温差而产生的电压。

研究小组依靠硅树脂微悬臂梁探针，类似于老式电唱机上针的显微版本，通过创建这样的电路并使用来自激光的红外光来刺激材料的分子，从而利用塞贝克效应潜心研究，创造热度。通过使探针接触微量物质，研究小组根据光谱信号和温差变化进行逆向分析，以准确识别和计算存在物质的含量：三硝基甲苯(更广为人知的名字是爆炸性TNT)和甲基膦酸二甲酯，一种用于阻燃剂和化学武器的化合物。

“这是一个非常简单的系统，但运行效果却出奇的好，”帕西安说。“探针有一个锋利的尖端，我们将其靠近表面，然后用红外光照射它。我们只产生了少量的热量，而这个探测器能够读取它。我们非常兴奋地发现我们可以以这种非侵入性的方式可靠地检测到如此少的材料。”

该探针已用于纳米级成像——大约比阿克大九个数量级——但帕西安和他的团队是第一个在如此小尺度上使用这种方法进行光谱分析的人。

“想想一枚小硬币，”帕西安说。“现在将硬币缩小一百万倍左右。这与探头的大小相当。我们以一种新的方式使用探头——测量热量和光而不是捕捉图像——事实证明它比我们预期的更有用。我相信我们可以进一步提高检测极限。”

该探头的灵敏度和相对较低的成本(只需几百美元即可制造数千个)为广泛的应用开辟了可能性。

“每个人都想要廉价、小型、快速、简单的传感器，而且还要高度准确，”帕西安说。“这个系统符合所有这些标准。因为它很小，所以不需要大量笨重的机械，我们可以在一个表面上安装数百或数千个这样的探头。这使得该系统非常适合紧凑空间，例如机场的安全检查站或采矿等地下应用。”

该团队计划测试探测器以检测更小的数量。结果可以支持量子传感器的构建，该传感器将利用量子物理定律在单个原子水平上进行传感。

“在某些时候，即使对于这个传感器来说，材料的数量也会太少，”帕西安说。“那么下一步将是量子测量。我们希望这项技术能够帮助我们实现这一目标。”

这项工作的支持来自美国能源部科学办公室的生物和环境研究计划。