基于光悬浮纳米转子的超灵敏扭矩探测

扭秤等扭矩传感器使卡文迪什首次测定引力常量并发现了库仑定律。扭矩传感器也广泛用于研究小尺度磁性、卡西米尔效应及其他应用。人们已付出巨大努力通过纳米加工和低温冷却来提高扭矩探测灵敏度。最灵敏的纳米加工扭矩传感器在稀释制冷机的毫开尔文温度下达到了 $10^{-24} \rm{Nm}/\sqrt{\rm{Hz}}$ 的卓越灵敏度。在此,我们通过开发真空光悬浮纳米转子超灵敏扭矩传感器,大幅提升了扭矩探测灵敏度。我们在室温下100秒内测得小至 $(1.2 \pm 0.5) \times 10^{-27} \rm{Nm}$ 的扭矩。我们的系统不需要复杂的纳米加工或低温冷却。此外,我们驱动纳米颗粒以超过5 GHz(每秒3000亿转)的创纪录高速旋转。我们的计算表明,该系统将能在现实条件下探测长期寻求的表面附近真空摩擦。光悬浮纳米转子也将在研究纳米尺度磁性和量子几何相位中具有应用。