Snaphots, der fryser et nanosving:Nøjagtig positionsmåling overvinder termiske udsving

Fysikere på AMOLF har formået at afkøle en gyngende, nanosiseret streng til næsten nul temperatur uden brug af ekstern køling. I deres eksperiment, afkølingen er et iboende resultat af en 'snapshot'-positionsmåling, de har udført på en specialdesignet nanostruktur. Snapshot -metoden, udviklet i AMOLF's Photonic Forces -gruppe, giver muligheder for nye applikationer inden for kvantefølelse med en hidtil uset følsomhed. Forskerne beskriver deres fund i en artikel, der blev offentliggjort den 9. september i Fysiske anmeldelsesbreve .

En gynge på legepladsen vil ikke flytte sig, før nogen giver den et skub, men et sving i nanostørrelse (eller en nanomekanisk resonator) bevæger sig altid på grund af tilfældige termiske vibrationer. "Den konventionelle metode til at måle en nanosvings position nøjagtigt har begrænset forudsigelsesevne, fordi dataene er gennemsnittet over tid, " gruppeleder Ewold Verhagen forklarer. "Inden målingen er overstået, indflydelsen fra temperaturen har allerede ændret positionen med en tilfældig mængde. "

Dermed, at opnå nøjagtig viden om gyngens position på ethvert tidspunkt, termisk bevægelse skal elimineres. "For virkelig at vide, hvor objektet er, du har brug for en (nær) nul temperatur, " siger Verhagen. "I forsøg med tidsgennemsnitlige positionsmålinger, dette opnås normalt ved fysisk at nedkøle eksperimentet til næsten nul Kelvin."

Måling =afkøling

Photonic Forces-gruppen hos AMOLF udviklede en anderledes tilgang ved at bruge laserlys til at tage nøjagtige og næsten øjeblikkelige målinger (snapshots) af positionen af ​​nanoskalastrukturen:en lille siliciumdobbeltstang, der vibrerer som en snor. "Designet af vores nanoswing gør det muligt for den at interagere stærkt med det laserlys, som vi bruger til at måle dens position. Det faktum, at vi tager et snapshot i stedet for en tidsgennemsnitlig måling, er afgørende, "siger Verhagen." Siden 1978 har forskere i Rusland og Østrig har foreslået at bruge målinger, hvis varighed er meget kortere end svingningsperioden, og den tid, det tager for nanosvinget at interagere med dets termiske miljø. Vi har nu demonstreret, at snapshots giver os mulighed for præcist at forudsige nanoswingens position, selv uden ekstern køling. Selve målingen annullerer termisk usikkerhed, og dermed køler nanosvinget lige så meget, som en ekstern kølemetode ville gøre."

Kvanteudsving

Selvom de ikke er den første gruppe, der demonstrerer snapshot-princippet, Verhagen og hans team har nået en hidtil uset målenøjagtighed, der ikke kun eliminerer de termiske vibrationer, men kommer også inden for rækkevidden af ​​endnu mindre kvanteudsving af nanosvingerne.

Verhagen siger:"Sådanne kvanteudsving fortsætter selv ved absolutte nultemperaturer. Således, de sætter normalt en grænse for følsomheden af ​​mekaniske målinger. Men teoretisk set hurtige snapshot-målinger er ikke underlagt begrænsningen af ​​kvanteudsving. Derfor, vores resultater kan meget vel føre til nye anvendelser i kvantesensorer. Ideelt set, vi vil gerne udvikle sansemetoder med mindre støj end de bedste (tidsgennemsnitlige) sansemetoder i et nul Kelvin-miljø. "