Een nieuwe mechanische "klok" is gemaakt door een internationaal team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van de Universiteit van St. Andrews, die de fundamentele fysica van de zwaartekracht zou kunnen testen.

De zwevende mechanische oscillator, gemaakt in een glazen bol ter grootte van een enkele bloedcel, werd door het team door licht gemanipuleerd om een ​​ultragevoelige sensor te maken die temperatuur- en drukveranderingen op nanoschaal kon meten.

Deze zeer nauwkeurige klok zou mogelijk zwaartekracht kunnen detecteren op kleinere schaal dan voorheen mogelijk was en mogelijk bewijs vinden voor afwijkingen van de zwaartekrachtwetten van Newton, waardoor nieuwe fysica nodig is die verder gaat dan wat we momenteel begrijpen.

Het onderzoek, ondersteund door de UK Engineering and Physical Sciences Research Council en de Czech Science Foundation, is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Resonantie is een fenomeen dat overal om ons heen is:het treedt op wanneer een object trilt of "oscilleert" met dezelfde natuurlijke snelheid als een aangrenzend tweede object, dit dwingt dat tweede object om zichzelf te vibreren, vaak grote bewegingen vertonen.

Om sonore muziekinstrumenten te maken, we gebruiken resonantie tussen de lucht en het instrumentlichaam. Resonantie verklaart zelfs het geluid van de zee dat hoorbaar is wanneer een schelp tegen je oor wordt geplaatst.

In de natuurkunde kan dit met groot effect worden gebruikt met resonatoren die zo groot zijn als cellen of zelfs atomen. Ze ondergaan een periodieke beweging, vergelijkbaar met een tikkende klok, en kunnen elkaar rijden. Dit leidt tot manieren om metingen te doen met een ongekende nauwkeurigheid.

Bijvoorbeeld, periodieke interne energiesprongen (trillingen) in atomen kunnen worden gekoppeld aan externe uurwerken:deze vormen de kern van het maken van Global Positioning Systems (GPS) voor ultraprecieze tijdregistratie. Hoe lang deze periodieke beweging kan worden volgehouden, wordt bepaald door de "Q"-waarde. Een resonator met een hoge Q-factor belt of trilt langer waardoor nauwkeurigere metingen mogelijk zijn.

Nu onderzoekers van de Universiteit van St. Andrews in Schotland, het Instituut voor Wetenschappelijke Instrumenten van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in de Tsjechische Republiek, De Chiba-universiteit in Japan en de Yonsei-universiteit in Korea hebben ultranauwkeurige periodieke bewegingen waargenomen in een minuscule glazen bol, de grootte van een bloedcel, door licht in vacuüm gehouden.

Door het onderzoek in vacuüm uit te voeren, werd wrijving vermeden die de beweging zou dempen - en de Q-waarde verlaagd. Het team manipuleerde het licht om de kleine bol heen en weer te laten bewegen en in perfecte harmonie rond te draaien. het creëren van een zeer goed gedefinieerde "klok".

De beweging van de bol bereikte een Q-waarde van meer dan 100 miljoen, meer dan 100 keer hoger dan eerder gerapporteerde resultaten voor dergelijke systemen. Deze beweging is erg gevoelig voor invloeden van buitenaf en het team wil deze gebruiken om minuscule omgevingsstoringen op te vangen, zoals veranderingen in temperatuur en druk, en zelfs fundamentele fysica testen.

Dr. Yoshi Arita, van de School voor Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van St. Andrews, en van het Molecular Chirality Research Center aan de Chiba University, zei:"Helaas, zelfs botsingen van de schaarse gasmoleculen rond het deeltje kunnen fouten introduceren in het tikken van onze klok (beweging van de microsfeer), wat de precisie ervan kan beperken.

"We hebben deze fouten gecorrigeerd door een periodiek lasersignaal te nemen om de microsfeer aan te drijven of te 'duwen':net als een kind op een schommel die precies op het juiste moment zijn benen schopt met de schommel om het enorme schommels te laten maken:dit maakte de beweging van onze sfeer zeer stabiel. Als dit echt een klok was, het zou zo nauwkeurig zijn dat het slechts een halve miljoenste van een seconde in een hele dag zou hebben verloren."

Dr. Stephen Simpson, een theoretisch natuurkundige aan het Instituut voor Wetenschappelijke Instrumenten van de Tsjechische Academie van Wetenschappen, zei:"Op een microscopische lengteschaal, de beweging van een deeltje is willekeurig van aard vanwege energieschommelingen, maar het is verbazingwekkend om te zien dat de natuur ook een plan heeft bedacht om nuttig werk van gerichte beweging uit deze minuscule machine te halen."

Professor Kishan Dholakia, van de School of Physics and Astronomy aan de University of St Andrews en een aangesloten professor aan de universiteiten van Chiba en Yonsei, zei:"Het team heeft werkelijk uitstekend werk geleverd waarvan we denken dat het zal resoneren met de internationale gemeenschap. Naast de opwindende fundamentele natuurkundige aspecten, de kwaliteit van onze oscillatoren zette een nieuwe maatstaf op dit gebied. We willen deze onderzoeken om de volgende generatie voortreffelijke detectieapparaten te ontwikkelen."

Het artikel 'Coherente oscillaties van een zwevende dubbelbrekende microsfeer in vacuüm aangedreven door niet-conservatieve rotatie-translatiekoppeling' door Y Arita, SH Simpson, P Zemanek, en K Dholakia is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .