Kvantetermometer eller optisk køleskab?

I et arrangeret ægteskab med optik og mekanik, fysikere har skabt mikroskopiske strukturelle bjælker, der har en række stærke anvendelser, når lys rammer dem. Kan arbejde i almindelige omgivelser ved stuetemperatur, alligevel udnytter nogle af de dybeste principper inden for kvantefysik, disse optomekaniske systemer kan fungere som iboende nøjagtige termometre, eller omvendt, som en type optisk skjold, der afleder varme. Undersøgelsen blev udført af et team ledet af Joint Quantum Institute (JQI), et forskningssamarbejde mellem National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland.

Beskrevet i et par nye papirer i Videnskab og Fysisk gennemgangsbreve , de potentielle anvendelser omfatter chipbaserede temperatursensorer til elektronik og biologi, der aldrig ville skulle justeres, da de er afhængige af grundlæggende naturkonstanter; bittesmå køleskabe, der kan køle state-of-the-art mikroskopkomponenter til billeder i højere kvalitet; og forbedrede "metamaterialer", der kunne give forskere mulighed for at manipulere lys og lyd på nye måder.

Lavet af siliciumnitrid, et meget udbredt materiale i elektronik- og fotonikindustrien, bjælkerne er omkring 20 mikron (20 milliontedele af en meter) lange. De er gennemsigtige, med en række huller boret igennem dem for at forbedre deres optiske og mekaniske egenskaber.

"Du kan sende lys ned ad denne stråle, fordi det er et gennemsigtigt materiale. Du kan også sende lydbølger ned ad strålen, "forklarede Tom Purdy, en NIST -fysiker, der er forfatter på begge papirer. Forskerne mener, at bjælkerne kan føre til bedre termometre, som nu er allestedsnærværende i vores enheder, herunder mobiltelefoner.

"I det væsentlige bærer vi en flok termometre rundt med os hele tiden, "sagde JQI Fellow Jake Taylor, seniorforfatter til de nye artikler. "Nogle giver temperaturmålinger, og andre giver dig besked, hvis din chip er for varm, eller dit batteri er for koldt. Termometre spiller også en afgørende rolle i transportsystemer - flyvemaskiner, biler - og fortæl dig, om din motorolie er overophedet. "

Men problemet er, at disse termometre ikke er præcise fra hylden. De skal kalibreres, eller justeret, til en vis standard. Designet af siliciumnitridstrålen undgår denne situation ved at stole på grundlæggende fysik. For at bruge strålen som et termometer, forskere skal være i stand til at måle de mindste mulige vibrationer i strålen. Mængden, som strålen vibrerer, er proportional med omgivelsernes temperatur.

Vibrationerne kan komme fra to slags kilder. De første er almindelige "termiske" kilder, såsom gasmolekyler, der bufferer strålen eller lydbølger, der passerer gennem den. Den anden kilde til vibrationer kommer rent fra kvantemekanikkens verden, teorien, der styrer adfærd af stof i atomskalaen. Kvanteadfærden opstår, når forskerne sender partikler af lys, eller fotoner, ned ad bjælken. Slået af lys, den mekaniske stråle reflekterer fotoner, og rykker i processen, skaber små vibrationer i strålen. Nogle gange beskrives disse kvantebaserede effekter ved hjælp af Heisenberg-usikkerhedsforholdet-fotonstoppet fører til information om strålens position, men fordi den giver vibrationer til strålen, det tilføjer usikkerhed til strålens hastighed.

"De kvantemekaniske udsving giver os et referencepunkt, fordi i det væsentlige, du kan ikke få systemet til at bevæge sig mindre end det, "Sagde Taylor. Ved at tilslutte værdier af Boltzmanns konstant og Plancks konstant, forskerne kan beregne temperaturen. Og i betragtning af dette referencepunkt, når forskerne måler mere bevægelse i strålen, f.eks. fra termiske kilder, de kan præcist ekstrapolere temperaturen i miljøet.

Imidlertid, kvantesvingningerne er en million gange svagere end de termiske vibrationer; at opdage dem er som at høre en nål falde midt i et brusebad.

I deres eksperimenter, forskerne brugte en topmoderne siliciumnitridstråle bygget af Karen Grutter og Kartik Srinivasan på NIST's Center for Nanoscale Science and Technology. Ved at skinne fotoner af høj kvalitet ved strålen og analysere fotoner, der udsendes fra strålen kort tid efter, "vi ser en lille smule af den kvantevibrationsbevægelse, der optages i lysets output, "Purdy forklarede. Deres målemetode er følsom nok til at se disse kvanteeffekter helt op til stuetemperatur for første gang, og udgives i denne uges udgave af Videnskab .

Selvom de eksperimentelle termometre er i en proof-of-concept fase, forskerne forestiller sig, at de kan være særligt værdifulde inden for elektronisk udstyr, som on-chip termometre, der aldrig behøver kalibrering, og i biologi.

"Biologiske processer, generelt, er meget følsomme over for temperatur, som enhver der har et sygt barn ved. Forskellen mellem 37 og 39 grader Celsius er temmelig stor, "Sagde Taylor. Han forudser anvendelser inden for bioteknologi, når du vil måle temperaturændringer i "så lille en mængde produkt som muligt, " han sagde.

Forskerne går i den modsatte retning i en anden foreslået anvendelse til bjælkerne, beskrevet i en teoretisk artikel, der blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

I stedet for at lade varmen ramme strålen og lade den fungere som en temperatursonde, forskerne foreslår at bruge strålen til at aflede varmen fra, for eksempel, en følsom del af en elektromekanisk enhed.

I deres foreslåede setup, forskerne lukker strålen i et hulrum, et par spejle, der preller lys frem og tilbage. De bruger lys til at styre strålens vibrationer, så strålen ikke kan genstråle indgående varme i sin sædvanlige retning, mod et koldere objekt.

Til denne applikation, Taylor sammenligner strålens opførsel med en stemmegaffel. Når du holder en stemmegaffel og slår den, det udstråler rene lydtoner i stedet for at lade den bevægelse blive til varme, som bevæger sig ned ad gaflen og ind i din hånd.

"En stemmegaffel ringer i lang tid, selv i luften, "sagde han. Gaffelens to spidser vibrerer i modsatte retninger, forklarede han, og annullere en måde for energi at forlade bunden af ​​gaflen gennem din hånd.

Forskerne forestiller sig endda at bruge en optisk styret siliciumnitridstråle som spidsen af ​​et atomkraftmikroskop (AFM), som detekterer kræfter på overflader til at opbygge billeder i atomskala. Et optisk styret AFM -tip ville forblive køligt - og fungere bedre. "Du fjerner termisk bevægelse, hvilket gør det lettere at se signaler, "Forklarede Taylor.

Denne teknik kan også bruges til at lave bedre metamaterialer, komplekse sammensatte objekter, der manipulerer lys eller lyd på nye måder og kan bruges til at lave bedre linser eller endda såkaldte "usynlighedskapper", der får visse lysbølgelængder til at passere gennem et objekt frem for at hoppe fra det.

"Metamaterialer er vores svar på, 'Hvordan laver vi materialer, der fanger de bedste egenskaber for lys og lyd, eller til varme og bevægelse? '"sagde Taylor." Det er en teknik, der har været meget udbredt inden for teknik, men at kombinere lys og lyd sammen er stadig lidt åbent om, hvor langt vi kan gå med det, og dette giver et nyt værktøj til at udforske dette rum. "