Leviteret ur sætter nyt benchmark

Et nyt mekanisk "ur" er blevet skabt af et internationalt hold af forskere, ledet af forskere ved University of St. Andrews, som kunne teste tyngdekraftens grundlæggende fysik.

Den svævende mekaniske oscillator, skabt i en glaskugle på størrelse med en enkelt blodcelle, blev manipuleret af lys af holdet for at skabe en ultra-følsom sensor, som kunne måle temperatur- og trykændringer på nanoskala.

Dette meget nøjagtige ur kunne potentielt detektere tyngdekraften i mindre skalaer end tidligere muligt og finde potentielle beviser for afvigelser fra Newtons tyngdelove, der kræver ny fysik ud over, hvad vi i øjeblikket forstår.

Forskningen, støttet af UK Engineering and Physical Sciences Research Council og Czech Science Foundation, er udgivet i Videnskab fremskridt .

Resonans er et fænomen, der er overalt omkring os:det opstår, når et objekt vibrerer eller "oscillerer" med samme naturlige hastighed som et tilstødende andet objekt, dette tvinger det andet objekt til at vibrere sig selv, viser ofte store bevægelser.

At lave klangfulde musikinstrumenter, vi bruger resonans mellem luften og instrumentkroppen. Resonans forklarer endda lyden af ​​havet, der høres, når en muslingeskal placeres op til dit øre.

I fysik kan dette bruges med stor effekt med resonatorer, der er på størrelse med celler eller endda atomer. De gennemgår periodisk bevægelse, beslægtet med et tikkende ur, og kan køre hinanden. Dette fører til måder at foretage målinger med hidtil uset nøjagtighed.

For eksempel, periodiske interne spring i energi (vibrationer) i atomer kan være knyttet til eksterne ure:disse er kernen i at lave Global Positioning Systems (GPS) til ultrapræcis tidsopbevaring. Hvor længe denne periodiske bevægelse kan opretholdes, bestemmes af "Q"-værdien. En resonator med høj Q-faktor ringer eller vibrerer i længere tid, hvilket muliggør mere nøjagtige målinger.

Nu forskere fra University of St Andrews i Skotland, Instituttet for Videnskabelige Instrumenter ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi i Den Tjekkiske Republik, Chiba University i Japan og Yonsei University i Korea har set ultrapræcise periodiske bevægelser i en lille glaskugle, størrelsen af ​​en blodcelle, holdes i vakuum af lys.

At udføre undersøgelsen i vakuum hjalp med at undgå friktion, som ville dæmpe bevægelsen - og reducere Q-værdien. Holdet manipulerede lyset for at få den lille kugle til at bevæge sig både frem og tilbage og dreje i perfekt harmoni, skabe et meget veldefineret "ur".

Kuglens bevægelse nåede en Q-værdi på mere end 100 mio. over 100 gange højere end tidligere rapporterede resultater for sådanne systemer. Denne bevægelse er meget følsom over for enhver ekstern påvirkning, og holdet sigter mod at bruge den til at opfange minimale miljøforstyrrelser, såsom ændringer i temperatur og tryk, og endda teste grundlæggende fysik.

Dr. Yoshi Arita, fra School of Physics and Astronomy ved University of St Andrews, og af Molecular Chirity Research Center ved Chiba University, sagde:"Desværre, selv kollisioner fra de sparsomme gasmolekyler omkring partiklen kan introducere fejl i vores urs tikken (mikrokuglens bevægelse), som kan begrænse dens præcision.

"Vi korrigerede disse fejl ved at tage et periodisk lasersignal for at drive eller 'skubbe' mikrosfæren:snarere som et barn på en gynge, der sparker deres ben på præcis det rigtige tidspunkt med gyngen for at få det til at lave store sving:dette fik bevægelsen af vores sfære meget stabil. Hvis dette faktisk var et ur, det ville være så præcist, at det kun ville have tabt en halv milliontedel af et sekund på en hel dag."

Dr. Stephen Simpson, en teoretisk fysiker ved Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences, sagde:"På en mikroskopisk længdeskala, en partikels bevægelse er tilfældig af natur på grund af energiudsving, men det er forbløffende at se, at naturen også har udtænkt et skema til at udtrække nyttigt arbejde med rettet bevægelse fra denne lille maskine."

Professor Kishan Dholakia, fra School of Physics and Astronomy ved University of St Andrews og en tilknyttet professor ved Chiba og Yonsei Universiteter, sagde:"Teamet har udført et virkelig enestående stykke arbejde, som vi tror vil give genlyd hos det internationale samfund. Ud over de spændende fundamentale fysikaspekter, kvaliteten af ​​vores oscillatorer satte et nyt benchmark på dette område. Vi sigter efter at udforske disse for at udvikle den næste generation af udsøgte sensorenheder."

Artiklen 'Kohærente oscillationer af en leviteret dobbeltbrydende mikrosfære i vakuum drevet af ikke-konservativ rotations-translationskobling' af Y Arita, S H Simpson, P Zemanek, og K Dholakia er udgivet i Videnskab fremskridt .