Ещё один прорыв в сфере детектирования звуковых волн совершили германские физики из Мюнхенского университета Людвига — Максимилиана. Они сконструировали наноразмерный детектор звуковых волн, намного превосходящий по чувствительности человеческое ухо.
Основой детектора стала одиночная золотая 60-нанометровая частица, захваченная в ловушку, которая построена по схеме оптического пинцета. В этих ловушках частицы удерживаются лазерным пучком, который, если не вдаваться в подробности, создаёт (за счёт градиента интенсивности) трёхмерную потенциальную яму, ограничивающую их движение фокусным объёмом пучка. Пинцеты традиционно используются для манипулирования микро- и наноразмерными объектами, позволяют прикладывать к ним силы пиконьютонового диапазона и измерять такие силы.
В экспериментах, проведённых авторами, ловушка, создаваемая 808-нанометровым лазером, играла другую роль: она обеспечивала возможность длительного наблюдения за движением помещённой в водную среду частицы, на которое накладывали свой отпечаток звуковые волны. Помимо лазера, в опытах были задействованы микроскоп и цифровая камера, снимавшая со скоростью 50 кадров в секунду.
Сначала учёные попробовали зарегистрировать звуковые волны от макроскопического источника — вольфрамовой иглы, соединённой с динамиком, на который подавался 300-герцевый сигнал. Движение золотой частицы записывали в течение 30 секунд, после чего её положение определялось на каждом кадре, а результаты представляли в виде схемы, показанной на рисунке ниже. Включение звука давало чётко выраженный эффект: распределение позиций, занимаемых наночастицей, вытягивалось в направлении распространения волн.
Во втором опыте использовался более «слабый» источник — скопление золотых наночастиц, которые нагревались лазером и генерировали звуковые волны с частотой 20 Гц при реализации фотоакустического эффекта. Здесь простое распределение позиций уже не позволяло зарегистрировать звук, но при переходе в частотную область (путём преобразования Фурье) в обычном спектре броуновского движения наночастицы проявлялся хорошо различимый пик на 20 Гц.
По расчётам физиков, испытанная ими система уверенно обнаруживает источники, обеспечивающие уровень звуковой мощности LW = –60 дБ. Предел возможностей человеческого уха находится на LW = 0 дБ; следовательно, наноразмерный детектор обходит его по чувствительности сразу на шесть порядков.
Подобные устройства могут пригодиться при наблюдении за природными — клетками, бактериями, вирусами — и искусственно созданными объектами, которые (скажем, из-за сильного поглощения или рассеяния света) не поддаются исследованию на обычном микроскопе. Кроме того, успешные испытания новых детекторов открывают возможность разработки оригинального метода акустической микроскопии с оптическим считыванием результатов.
