In een gearrangeerd huwelijk van optica en mechanica, natuurkundigen hebben microscopisch kleine structurele bundels gemaakt die een verscheidenheid aan krachtige toepassingen hebben wanneer licht erop valt. In staat om te werken in gewone, omgevingen bij kamertemperatuur, maar gebruikmakend van enkele van de diepste principes van de kwantumfysica, deze optomechanische systemen kunnen fungeren als inherent nauwkeurige thermometers, of omgekeerd, als een soort optisch schild dat warmte afleidt. Het onderzoek is uitgevoerd door een team onder leiding van het Joint Quantum Institute (JQI), een onderzoekssamenwerking van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland.

Beschreven in een paar nieuwe papieren in Wetenschap en Fysieke beoordelingsbrieven , de mogelijke toepassingen zijn onder meer op chips gebaseerde temperatuursensoren voor elektronica en biologie die nooit hoeven te worden aangepast omdat ze afhankelijk zijn van fundamentele natuurconstanten; kleine koelkasten die ultramoderne microscoopcomponenten kunnen koelen voor beelden van hogere kwaliteit; en verbeterde "metamaterialen" waarmee onderzoekers licht en geluid op nieuwe manieren kunnen manipuleren.

Gemaakt van siliciumnitride, een veelgebruikt materiaal in de elektronica- en fotonica-industrie, de balken zijn ongeveer 20 micron (20 miljoenste van een meter) lang. Ze zijn transparant, met een rij gaten er doorheen geboord om hun optische en mechanische eigenschappen te verbeteren.

"Je kunt licht door deze straal sturen omdat het een transparant materiaal is. Je kunt ook geluidsgolven door de straal sturen, " legde Tom Purdy uit, een NIST-fysicus die auteur is van beide artikelen. De onderzoekers denken dat de stralen kunnen leiden tot betere thermometers, die nu alomtegenwoordig zijn in onze apparaten, inclusief mobiele telefoons.

"In wezen hebben we de hele tijd een stel thermometers bij ons, " zei JQI-collega Jake Taylor, senior auteur van de nieuwe artikelen. "Sommige geven temperatuurmetingen, en anderen laten u weten of uw chip te warm is of uw batterij te koud is. Thermometers spelen ook een cruciale rol in transportsystemen:vliegtuigen, auto's - en u vertellen of uw motorolie oververhit raakt."

Maar het probleem is dat deze thermometers niet direct van de plank zijn. Ze moeten worden gekalibreerd, of aangepast, naar een bepaalde standaard. Het ontwerp van de siliciumnitridestraal vermijdt deze situatie door te vertrouwen op fundamentele fysica. Om de straal als thermometer te gebruiken, onderzoekers moeten de kleinst mogelijke trillingen in de straal kunnen meten. De hoeveelheid die de straal trilt is evenredig met de temperatuur van de omgeving.

De trillingen kunnen van twee soorten bronnen komen. De eerste zijn gewone "thermische" bronnen zoals gasmoleculen die tegen de straal botsen of geluidsgolven die er doorheen gaan. De tweede trillingsbron komt puur uit de wereld van de kwantummechanica, de theorie die het gedrag van materie op atomaire schaal regelt. Het kwantumgedrag treedt op wanneer de onderzoekers lichtdeeltjes sturen, of fotonen, de balk naar beneden. Getroffen door licht, de mechanische bundel reflecteert de fotonen, en deinst terug in het proces, waardoor kleine trillingen in de straal ontstaan. Soms worden deze op kwantum gebaseerde effecten beschreven met behulp van de Heisenberg-onzekerheidsrelatie - de foton-bounce leidt tot informatie over de positie van de straal, maar omdat het trillingen aan de balk geeft, het voegt onzekerheid toe aan de snelheid van de straal.

"De kwantummechanische fluctuaties geven ons een referentiepunt omdat in wezen, je kunt het systeem niet minder laten bewegen, " zei Taylor. Door waarden van de constante van Boltzmann en de constante van Planck in te vullen, kunnen de onderzoekers de temperatuur berekenen. En gezien dat referentiepunt, wanneer de onderzoekers meer beweging in de straal meten, zoals uit thermische bronnen, ze kunnen de temperatuur van de omgeving nauwkeurig extrapoleren.

Echter, de kwantumfluctuaties zijn een miljoen keer zwakker dan de thermische trillingen; ze detecteren is als een speld horen vallen in het midden van een regenbui.

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten een ultramoderne siliciumnitridestraal gebouwd door Karen Grutter en Kartik Srinivasan bij NIST's Center for Nanoscale Science and Technology. Door fotonen van hoge kwaliteit op de straal te laten schijnen en kort daarna door de straal uitgezonden fotonen te analyseren, "we zien een klein beetje van de kwantumtrillingsbeweging die wordt opgepikt in de output van licht, " legde Purdy uit. Hun meetbenadering is gevoelig genoeg om deze kwantumeffecten voor het eerst helemaal tot aan kamertemperatuur te zien, en is gepubliceerd in het nummer van deze week van Wetenschap .

Hoewel de experimentele thermometers zich in een proof-of-conceptfase bevinden, de onderzoekers stellen zich voor dat ze bijzonder waardevol kunnen zijn in elektronische apparaten, als on-chip thermometers die nooit gekalibreerd hoeven te worden, en in de biologie.

"Biologische processen, in het algemeen, zijn erg gevoelig voor temperatuur, zoals iedereen die een ziek kind heeft weet. Het verschil tussen 37 en 39 graden Celsius is behoorlijk groot, " zei Taylor. Hij voorziet toepassingen in de biotechnologie, wanneer u temperatuurveranderingen wilt meten in "een zo klein mogelijke hoeveelheid product, " hij zei.

De onderzoekers gaan in de tegenovergestelde richting in een tweede voorgestelde toepassing voor de balken, beschreven in een theoretisch artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

In plaats van warmte de straal te laten raken en deze als temperatuursonde te laten dienen, de onderzoekers stellen voor om de straal te gebruiken om de warmte af te leiden van, bijvoorbeeld, een gevoelig onderdeel van een elektromechanisch apparaat.

In hun voorgestelde opstelling, de onderzoekers omsluiten de balk in een holte, een paar spiegels die licht heen en weer kaatsen. Ze gebruiken licht om de trillingen van de straal te regelen, zodat de straal de inkomende warmte niet opnieuw in zijn gebruikelijke richting kan uitstralen, naar een kouder object.

Voor deze toepassing, Taylor vergelijkt het gedrag van de balk met een stemvork. Als je een stemvork vasthoudt en erop slaat, het straalt pure geluidstonen uit in plaats van die beweging in warmte te laten veranderen, die langs de vork naar uw hand gaat.

"Een stemvork klinkt lang, zelfs in de lucht, " zei hij. De twee tanden van de vork trillen in tegengestelde richtingen, hij legde uit, en annuleer een manier waarop energie de onderkant van de vork via uw hand verlaat.

De onderzoekers stellen zich zelfs voor om een ​​optisch gestuurde siliciumnitridestraal te gebruiken als de punt van een atomaire krachtmicroscoop (AFM), die krachten op oppervlakken detecteert om beelden op atoomschaal op te bouwen. Een optisch gestuurde AFM-tip zou koel blijven en beter presteren. "Je verwijdert thermische beweging, waardoor het gemakkelijker wordt om signalen te zien, ' legde Taylor uit.

Deze techniek zou ook kunnen worden gebruikt om betere metamaterialen te maken, complexe samengestelde objecten die licht of geluid op nieuwe manieren manipuleren en kunnen worden gebruikt om betere lenzen of zelfs zogenaamde "onzichtbaarheidsmantels" te maken die ervoor zorgen dat bepaalde golflengten van licht door een object gaan in plaats van erop te stuiteren.

"Metamaterialen zijn ons antwoord op, 'Hoe maken we materialen die de beste eigenschappen voor licht en geluid vastleggen, of voor warmte en beweging?'" zei Taylor. "Het is een techniek die veel wordt gebruikt in de techniek, maar het combineren van licht en geluid blijft nog een beetje open over hoe ver we ermee kunnen gaan, en dit biedt een nieuw hulpmiddel om die ruimte te verkennen."