Нанофлуктуации в фотонно-силовом микроскопе
Идея задачи заключается в оценке сил светового давления. Отдельно стоит отметить слово «оценка». В задаче не требовалось точно определить все необходимые значения, хотя такие попытки, конечно, поощрялись.
1) Частица, согласно условию, захвачена излучением ИК лазера. При включении зеленого лазера возникают дополнительные силы, смещающие частицу из положения равновесия. Какова природа этих сил? Поскольку поглощение в прозрачном диоксиде кремния ничтожно мало, дополнительные силы могут быть вызваны давлением света при:
- поглощении в металлических наночастицах;
- отражении от поверхности диэлектрической сферы.
Частица вращается случайным образом, при этом число серебряных наночастиц, попадающих в луч лазера, флуктуирует. Это и будет вызывать флуктуационные колебания частицы.
Теперь проведем численные оценки. Для начала определим интенсивность зеленого лазера в перетяжке (это значение нам пригодится в дальнейшем): (1)
2) Флуктуации, вызванные броуновским движением: (2)
3) Регулярное смещение частицы обусловлено двумя факторами.
Эта сила определяется освещенной площадью, контрастом показателей преломления (определяющим коэффициент отражения) и освещенной площадью. Соответствующее смещение – 10 нм – меньше температурных флуктуаций (100 нм).
- Из-за поглощения и рассеяния на металлических частицах: (4)
(0.1 – доля площади поверхности, в среднем покрытая наночастицами).
Поскольку коэффициент отражения примерно равен 0.002, решающий вклад вносит вторая сила, а характерное регулярное смещение равно 300 нм, что превышает температурные флуктуации.
4) Определимся теперь с флуктуациями частицы в луче лазера.
Поскольку смещение частицы в луче зеленого лазера вызвано главным образом наличием серебряных наночастиц, то флуктуации вызваны случайным изменением их числа в луче при «дрожании» микрочастицы. Считая, что частицы случайно распределены по поверхности, получим оценку для средней флуктуации числа частиц в луче: (5)
Оцека величины смещения получается 45 нм, что уже сравнимо с температурными флуктуациями.
5) Из предыдущего пункта очевидно, чем вызваны флуктуации. Минимально возможная флуктуация – при изменении числа наночастиц в луче на единицу: (6)
Смещение, соответственно, 15 нм и 300 нм.
6) Чтобы флуктуации были максимальны, нужно, чтобы все наночастицы собрались «комком», чем равномернее они распределены – тем меньше флуктуации.
