'Knijpen' wordt gebruikt in de natuurkunde, onder andere, om de resolutie van meetinstrumenten te verbeteren. Hiermee kan storende ruis worden onderdrukt, zodat kleinere signalen gevoeliger kunnen worden gedetecteerd. Het team onder leiding van natuurkundige professor Eva Weig van de Universiteit van Konstanz heeft nu kunnen laten zien hoe zo'n samengedrukte toestand op een veel eenvoudigere manier kan worden gemeten dan met de bestaande methoden. Bovendien, de nieuwe methode maakt het mogelijk om samengedrukte toestanden te onderzoeken in systemen waar dergelijke metingen voorheen niet mogelijk waren. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

Knijpen in de thermische fluctuaties van een nanostring

In het experiment van de Nanomechanica-groep onder leiding van Eva Weig, de thermische fluctuaties van een vibrerende nanomechanische snaarresonator worden geperst. De nanosnaar kan worden gezien als een kleine gitaarsnaar, duizend keer dunner en korter dan een mensenhaar. Nanomechanische systemen zoals de nanostring die wordt onderzocht, zijn veelbelovende kandidaten voor zeer nauwkeurige meetinstrumenten. Hun gevoeligheid, echter, is van nature beperkt bij kamertemperatuur. Warmte-energie veroorzaakt een thermisch geluid, een trillen van de snaar, wat de meetnauwkeurigheid beperkt. Deze ongecontroleerde trilling van het systeem bij kamertemperatuur is gebaseerd op de thermodynamische uitrustingsstelling, een fundamenteel principe van de klassieke fysica. Overeenkomstig, thermische ruis moet in elke richting van de zogenaamde faseruimte even groot zijn, d.w.z. een circulaire distributie vormen.

Weig en haar promovendus Jana Huber voegden een sterke drive toe bovenop deze thermische ruis. Op deze manier werd de snaar heel hard aangeslagen. Als de snaar ver genoeg wordt afgebogen, het houdt op zich lineair te gedragen. Dit betekent dat de kracht die de snaar afbuigt, niet langer evenredig is met de kracht die hem terugtrekt naar zijn oorspronkelijke positie. De sterke aandrijving verandert de thermische fluctuaties als gevolg van een schending van de tijdomkeersymmetrie. In faseruimte, ze zien er niet langer uit als een cirkel maar als een ellips:tenminste in één richting, zijn diameter, d.w.z. het geluid, wordt aanzienlijk kleiner - het wordt geperst. "Het was theoretisch van tevoren bekend dat dit zou moeten gebeuren, maar het is nog nooit zo helder gemeten, omdat het een relatief subtiel effect is, " legt Eva Weig uit.

Verontrustende factoren

Echter, de methode om de samengedrukte toestand direct in de faseruimte in kaart te brengen, werkt niet altijd. Dat geldt ook voor de nanostring die de Konstanz-onderzoekers bestudeerden. Terwijl een conventionele gitaarsnaar, eenmaal geplukt, zwaait slechts een paar honderd keer heen en weer voordat hij weer stil wordt, een nanostring trilt meer dan 300, 000 keer. Echter, deze hoge "mechanische kwaliteit" maakt de snaar ook zeer gevoelig voor storingen, zoals minimale temperatuurschommelingen. Het meten van een samengedrukte toestand als een ellips in de faseruimte is in deze systemen niet mogelijk.

Huber streeft daarom met haar meting een ander concept na. De ruis wordt niet in de gehele faseruimte onderzocht, maar alleen spectraal opgelost, dat wil zeggen volgens de frequenties die daarin voorkomen. Naast de aandrijffrequentie, het spectrum vertoont nog twee frequentiecomponenten, één aan de linkerkant en één aan de rechterkant van de schijf, die zijn toegewezen aan de thermische ruis. Theoretisch fysici Dr. Gianluca Rastelli en professor Wolfgang Belzig van de Universiteit van Konstanz en professor Mark Dykman van de Michigan State University (VS), die ook bij het werk betrokken zijn, precies dit optreden van verdere frequenties had voorspeld. "Maar niemand had het ooit eerder zo mooi gezien. Dit heeft te maken met het feit dat onze mechanische kwaliteit zo hoog is dat we het kristalhelder konden oplossen, ' zegt Eva Weig.

Dus, het is ook de eerste keer dat deze twee satellietsignalen in hoogte verschillen. In nauwe samenwerking met Gianluca Rastelli, Huber kon aantonen dat het verschil in intensiteit tussen deze twee satellieten - de verhouding van de gebieden onder de twee satellietsignalen - een directe maat is voor de knijpparameter, d.w.z. hoe sterk het geluid wordt geperst.

'radicaal eenvoudig'

'Radicaal eenvoudig', zo beschrijven natuurkundigen Weig en Dykman de methode die niet alleen knijpmetingen mogelijk maakt in mechanische systemen zoals hier, maar over een breed scala aan systemen - het belangrijkste is dat ze van hoge kwaliteit zijn en een sterke drive hebben. Er zijn zelfs koppelingen met kwantummechanische systemen.

Verder, er is een "boeiende congruentie tussen experiment en theorie, " zoals Eva Weig en Wolfgang Belzig unaniem benadrukken. De gemeten gegevens passen precies in het model dat is ontwikkeld door de theoretisch-fysische collega's in Konstanz en aan de Michigan State University.