En streng til at styre dem alle

Stamme kan bruges til at konstruere usædvanlige egenskaber på nanoskalaen. Forskere i Tobias Kippenbergs laboratorium på EPFL har udnyttet denne effekt til at konstruere en ekstremt lavt tab nanostring. Når plukket, strengen vibrerer i minutter med en periode på et mikrosekund (svarer til en standard guitarnote, der spiller i en måned). Brug den som en ultrafølsom mikrofon, forskerne håber at kunne registrere lyden af ​​fotoner i en laserstråle. Værket er udgivet i Videnskab .

En lektion i stresshåndtering

For en maskiningeniør, stress er normalt generende. Korrekt administreret, imidlertid, det kan også være et kraftfuldt redskab:En elastisk krop reagerer på stress ved at justere afstanden mellem dens atomer (stamme), som kan bruges til at kontrollere egenskaberne af dets elektroner. Et eksempel på sådan elastisk belastningsteknik er den moderne transistor, hvis driftshastighed øges ved at understrege sit siliciumportmateriale.

Stress kan også bruges til at konstruere egenskaberne ved en elastisk krop. at strække en guitarstreng, for eksempel, ændrer ikke kun dens lyd (dens vibrationsfrekvens), men også dens kvalitetsfaktor (antallet af vibrationer produceret af en enkelt pluk). Denne effekt, kendt som "spildningsfortynding, "i uønsket i mange musikalske kredse, men på andre områder kan det være en enorm fordel.

Større er ikke altid bedre

Et sådant felt er nanomekanik, hvor kvalitetsfaktoren en oscillator dikterer dens anvendelighed til applikationer såsom kraftføling. I løbet af det sidste årti, anstrengte nanomekaniske oscillatorer er dukket op som et vigtigt paradigme på grund af deres uregelmæssigt høje kvalitetsfaktorer; imidlertid, denne trend er ikke så meget et designvalg som en artefakt af store spændinger, der naturligt produceres på nanoskalaen.

Bevæbnet med et kraftfuldt sæt værktøjer på EPFL's Center of MicroNanoTechnology, forskere i Kippenbergs laboratorium gik i gang med at konstruere nanomekaniske enheder med bevidst forbedret stress og spildningsfortynding. De fandt ud af, at en streng er en ideel geometri til dette, selvom dens bevægelse skal være lokaliseret væk fra dens understøtninger og samlokaliseret med sin interne stressprofil.

For at opfylde disse krav, forskerne mønstrede strengen til en periodisk struktur, hvor vibrationer kunne fanges omkring en central defekt:en fononisk krystal. For at samlokalisere stamme, fejlen er omhyggeligt tilspidset, og hele mønsteret er trykt på en snor på cirka 10 nm tyk og 1 cm lang (svarende til at strække Golden Gate -broen over Stillehavet).

Målinger foretaget på nanostring -enheder ved stuetemperatur afslører lokaliserede tilstande, der vibrerer ved 1 MHz i snesevis af minutter, svarende til en kvalitetsfaktor på 800 mio. Transponeret på en standard guitarstreng, en tilsvarende note ville spille i en måned.

Lytte til lys

På grund af deres lille masse og ekstreme kvalitetsfaktorer, nanostringe, der ligner dem, der er udviklet i Kippenberg -laboratoriet, forventes at have en vigtig indvirkning på traditionelle registreringsapplikationer. Fungerer som kraftsensorer, for eksempel, de er i stand til at detektere lokale forstyrrelser på niveau med attonewtons, svarende til tyngdekraften mellem mennesker.

Et spændende program er at opdage svage lyskræfter. Ved at koble en nanostring til en optisk bølgeleder, Kippenbergs laboratorium demonstrerede for nylig evnen til at detektere den blide lyd af fotoner, der strømmer i en laserstråle (hver giver en lille strålingstrykkraft til strengen). I et overraskende twist, de viste, hvordan denne måling kunne bruges til at generere en ikke-klassisk lystilstand kendt som klemt lys, som kan bruges til at øge følsomheden af ​​et optisk interferometer.

De stiller nu et andet spørgsmål:er det muligt at bruge det samme lysfelt til at detektere vakuumudsvingene i nanostrengen (en konsekvens af dens fononlignende natur)? "Heisenbergs usikkerhedsprincip forudsiger, at de to kapaciteter står i rimeligt forhold til hinanden, " siger Dalziel Wilson, en af ​​papirets forfattere. "At arbejde ved denne såkaldte standard kvantegrænse giver mulighed for at afkøle et mekanisk objekt af håndgribelig størrelse fra stuetemperatur til absolut nul (dets bevægelsesgrundtilstand), udgangspunktet for utallige kvanteeksperimenter. "