Stam kan worden gebruikt om ongebruikelijke eigenschappen op nanoschaal te ontwikkelen. Onderzoekers in het laboratorium van Tobias Kippenberg bij EPFL hebben dit effect benut om een ​​nanostring met extreem weinig verlies te ontwikkelen. Wanneer geplukt, de snaar trilt minutenlang met een periode van een microseconde (gelijk aan een standaard gitaarnoot die gedurende een maand wordt gespeeld). Gebruik het als een ultragevoelige microfoon, de onderzoekers hopen het geluid van fotonen in een laserstraal te kunnen detecteren. Het werk is gepubliceerd in Wetenschap .

Een les in stressmanagement

Voor een werktuigbouwkundige stress is meestal vervelend. goed beheerd, echter, het kan ook een krachtig hulpmiddel zijn:een elastisch lichaam reageert op stress door de afstand tussen de atomen aan te passen (rek), die kan worden gebruikt om de eigenschappen van zijn elektronen te regelen. Een voorbeeld van een dergelijke elastische spanningstechniek is de moderne transistor, waarvan de werksnelheid wordt verbeterd door het siliciumpoortmateriaal te belasten.

Stress kan ook worden gebruikt om de eigenschappen van een elastisch lichaam te ontwikkelen. Een gitaarsnaar uitrekken, bijvoorbeeld, zal niet alleen het geluid (de trillingsfrequentie) veranderen, maar ook de kwaliteitsfactor (het aantal trillingen dat door een enkele pluk wordt geproduceerd). Dit effect, bekend als "dissipatieverdunning, " in veel muzikale kringen ongewenst, maar op andere gebieden kan een enorm voordeel zijn.

Groter is niet altijd beter

Een van die gebieden is nanomechanica, waarbij de kwaliteitsfactor een oscillator het nut ervan dicteert voor toepassingen zoals krachtdetectie. Over de afgelopen tien jaar, gespannen nanomechanische oscillatoren zijn naar voren gekomen als een belangrijk paradigma vanwege hun abnormaal hoge kwaliteitsfactoren; echter, deze trend is niet zozeer een ontwerpkeuze als wel een artefact van grote spanningen die van nature op nanoschaal worden geproduceerd.

Gewapend met een krachtige set tools in EPFL's Center of MicroNanoTechnology, onderzoekers in het laboratorium van Kippenberg begonnen met het ontwerpen van nanomechanische apparaten met opzettelijk verbeterde stress en dissipatieverdunning. Ze ontdekten dat een snaar hiervoor een ideale geometrie is, hoewel zijn beweging moet worden gelokaliseerd weg van zijn steunen en co-gelokaliseerd met zijn interne spanningsprofiel.

Om aan deze eisen te voldoen, de onderzoekers vormden de snaar in een periodieke structuur waarin trillingen konden worden gevangen rond een centraal defect:een fononisch kristal. Om stam te co-lokaliseren, het defect wordt zorgvuldig taps toelopend, en het hele patroon wordt afgedrukt op een koord van ongeveer 10 nm dik en 1 cm lang (het equivalent van het uitrekken van de Golden Gate-brug over de Stille Oceaan).

Metingen op nanostring-apparaten bij kamertemperatuur onthullen gelokaliseerde modi die tientallen minuten op 1 MHz trillen. overeenkomend met een kwaliteitsfactor van 800 miljoen. Getransponeerd naar een standaard gitaarsnaar, een gelijkwaardige noot zou een maand lang spelen.

Luisteren naar licht

Door hun kleine massa en extreme kwaliteitsfactoren, nanostrings vergelijkbaar met die ontwikkeld in het Kippenberg-lab zullen naar verwachting een belangrijke impact hebben op traditionele detectietoepassingen. Werkt als krachtsensoren, bijvoorbeeld, ze zijn in staat om lokale verstoringen op het niveau van attonewton te detecteren, gelijk aan de aantrekkingskracht tussen mensen.

Een intrigerende toepassing is het detecteren van zwakke lichtkrachten. Door een nanostring te koppelen aan een optische golfgeleider, Het laboratorium van Kippenberg heeft onlangs het vermogen gedemonstreerd om het zachte geluid van fotonen te detecteren die in een laserstraal stromen (die elk een kleine stralingsdrukkracht op de snaar uitoefenen). In een verrassende wending, ze lieten zien hoe deze meting kan worden gebruikt om een ​​niet-klassieke lichttoestand te genereren die bekend staat als geperst licht, die kan worden gebruikt om de gevoeligheid van een optische interferometer te verbeteren.

Ze stellen nu een andere vraag:is het mogelijk om hetzelfde lichtveld te gebruiken om de vacuümfluctuaties van de nanostring te detecteren (een gevolg van zijn fonon-achtige aard)? "Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voorspelt dat de twee mogelijkheden evenredig zijn, " zegt Dalziel Wilson, een van de auteurs van de krant. "Werken met deze zogenaamde standaard kwantumlimiet biedt de mogelijkheid om een ​​mechanisch object van tastbare grootte te koelen van kamertemperatuur tot het absolute nulpunt (de bewegende grondtoestand), het startpunt voor talloze kwantumexperimenten."