Mål klemning på en ny måde

'Klem' bruges i fysik, blandt andet, at forbedre opløsningen af ​​måleinstrumenter. Det gør det muligt at undertrykke forstyrrende støj på en måde, så mindre signaler kan detekteres mere følsomt. Teamet ledet af fysiker professor Eva Weig ved University of Konstanz har nu kunnet vise, hvordan en sådan presset tilstand kan måles på en meget enklere måde end med de eksisterende metoder. I øvrigt, den nye metode gør det muligt at undersøge pressede tilstande i systemer, hvor sådanne målinger ikke var mulige før. Resultaterne offentliggøres i det aktuelle nummer af tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

Klem de termiske udsving i en nanostring

I eksperimentet af gruppen Nanomekanik ledet af Eva Weig, termiske udsving i en vibrerende nanomekanisk strengresonator klemmes. Nanostrengen kan betragtes som en lille guitarstreng, tusinde gange tyndere og kortere end et menneskehår. Nanomekaniske systemer såsom nanostrengen under undersøgelse er lovende kandidater til måleinstrumenter med høj præcision. Deres følsomhed, imidlertid, er naturligt begrænset ved stuetemperatur. Varmeenergi forårsager termisk støj, en rysten af ​​snoren, hvilket begrænser målenøjagtigheden. Denne ukontrollerede vibration af systemet ved stuetemperatur er baseret på den termodynamiske udstyrs sætning, et grundlæggende princip for klassisk fysik. Derfor, termisk støj skal være lige stor i hver retning af det såkaldte faserum, dvs. danne en cirkulær fordeling.

Weig og hendes doktorand Jana Huber tilføjede et stærkt drev oven på denne termiske støj. På denne måde blev snoren ramt meget hårdt. Hvis strengen afbøjes langt nok, den holder op med at opføre sig lineært. Det betyder, at den kraft, der afbøjer snoren, ikke længere er proportional med den kraft, der trækker den tilbage til sin oprindelige position. Det stærke drev ændrer de termiske udsving som følge af en overtrædelse af tidsomvendelsessymmetrien. I fase rummet, de ligner ikke længere en cirkel, men som en ellipse:I hvert fald i en retning, dens diameter, dvs. støjen, bliver betydeligt mindre - det klemmes. "Det var teoretisk kendt på forhånd, at dette skulle ske, men det er aldrig blevet målt med en sådan klarhed, fordi det er en relativt subtil effekt, ”forklarer Eva Weig.

Forstyrrende faktorer

Imidlertid, metoden til at kortlægge den pressede tilstand direkte i fase rummet virker ikke altid. Dette gælder også for nanostrengen undersøgt af Konstanz -forskerne. Hvorimod en konventionel guitarstreng, en gang plukket, svinger frem og tilbage kun et par hundrede gange, før der igen bliver stille, en nanostring vibrerer over 300, 000 gange. Imidlertid, denne høje "mekaniske kvalitet" gør også snoren meget følsom over for forstyrrelser, såsom minimale temperatursvingninger. Måling af en presset tilstand som en ellipse i faserum er ikke mulig i disse systemer.

Huber forfølger derfor et andet koncept med sin måling. Støjen undersøges ikke i hele faserummet, men kun løst spektralt, dvs. ifølge de frekvenser, der forekommer deri. Ud over frekvensen af ​​drev, spektret viser to yderligere frekvenskomponenter, en til venstre og en til højre for drevet, som er tildelt den termiske støj. Teoretiske fysikere Dr. Gianluca Rastelli og professor Wolfgang Belzig fra University of Konstanz og professor Mark Dykman fra Michigan State University (U.S.), som også er involveret i arbejdet, havde forudsagt præcis denne forekomst af yderligere frekvenser. "Men ingen havde nogensinde set det så smukt før. Dette har at gøre med, at vores mekaniske kvalitet er så høj, at vi var i stand til at løse det med krystalklarhed, ”siger Eva Weig.

Dermed, det er også første gang, at disse to satellitsignaler kan ses at variere i højden. I tæt samarbejde med Gianluca Rastelli, Huber var i stand til at vise, at forskellen i intensitet mellem disse to satellitter - forholdet mellem områderne under de to satellitsignaler - er et direkte mål for klemmeparameteren, dvs. hvor stærkt støjen presses.

'Radikalt enkelt'

'Radikalt enkel' er, hvordan fysikerne Weig og Dykman beskriver metoden, der muliggør klemmemålinger, ikke kun i mekaniske systemer som den her, men over en lang række systemer - det afgørende er, at de er af høj kvalitet og har et stærkt drive. Der er endda forbindelser til kvantemekaniske systemer.

Desuden, der er en "fængslende kongruens mellem eksperiment og teori, "som Eva Weig og Wolfgang Belzig enstemmigt understreger. De målte data passer præcist til modellen udviklet af de teoretisk-fysiske kolleger i Konstanz og ved Michigan State University.