AMOLF-onderzoekers hebben snaren op nanoschaal ontwikkeld waarvan de beweging kan worden omgezet in lichtsignalen met ongekende sterkte. Dit kan zorgen voor extreem nauwkeurige sensoren en heeft een belangrijk neveneffect. "Analoog aan een gitaarversterker in overdrive die vervormde geluidsgolven produceert, onze sterke beweging-naar-licht conversie leidt tot vervormde lichtsignalen, ", zegt groepsleider Ewold Verhagen. "Maar deze signalen bevatten eigenlijk informatie over de beweging die kan leiden tot nieuwe manieren om kwantummechanische beweging te meten." De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 7 juli 2017 in Natuurcommunicatie .

Wanneer een gitarist het volume van de versterker op het hoogste versterkingsniveau zet, de 'schone' harmonische trillingen van de gitaarsnaren worden omgezet in vervormde geluidsgolven. Dit 'vuile' geluid is vaak wenselijk - het geschreeuw van overstuurde gitaarversterkers bepaalt al decennia lang het geluid van rockmuziek.

Strak opgesloten licht

De Photonic Forces-groep van AMOLF bestudeert de interactie van beweging en licht met behulp van siliciumsnaren op nanoschaal die miljoenen keren per seconde trillen als gitaarsnaren. De onderzoekers gebruiken licht om deze trillingen uiterst nauwkeurig te meten. Promovendus Rick Leijssen en zijn collega's ontwikkelden snaren met een bepaalde vorm om op een schaal van tientallen nanometers licht tussen de snaren te persen. "De strakke opsluiting zorgt ervoor dat mechanische beweging wordt omgezet in lichtsignalen met ongekende kracht. Dit is een grote stap voorwaarts om bewegingssensoren met extreme precisie te maken, "Zegt Leijssen. "Dergelijke sensoren kunnen snaartrillingen detecteren met amplitudes zo klein als de grootte van een proton en kunnen worden gebruikt om kleine krachten en massa's te meten."

Vervormde signalen

De sterke omzetting van beweging in licht in de siliciumsnaren heeft een neveneffect:de omzetting is zo sterk dat zelfs voor de kleine intrinsieke fluctuaties van de snaren, het licht is 'overdreven, ' analoog aan wat er gebeurt in rockgitaarversterkers. Verhagen zegt, "Vergelijkbaar met het schreeuwende geluid van een overstuurde versterker, de lichtsignalen in ons experiment bevatten veel hogere harmonischen ('boventonen') van de fundamentele snaarresonantie. Dit komt omdat de omzetting tussen beweging en licht niet meer lineair is."

Kwantummechanisch gedrag onthullen

Op een manier, deze niet-lineaire omzetting vormt een praktische grens aan de bewegingsgevoeligheid. Echter, de vervormde lichtsignalen zouden een nieuwe bestemming kunnen krijgen. Een belangrijke reden waarom de AMOLF-natuurkundigen minuscule snaartrillingen bestuderen, is om te ontdekken of objecten zoals snaartjes zich gedragen volgens de wetten van de kwantummechanica. Postdoctoraal onderzoeker Juha Muhonen zegt:"De hogere harmonischen van de geproduceerde lichtsignalen dragen verschillende soorten informatie over de nanostringbeweging. Bijvoorbeeld, we hebben aangetoond dat ze het mogelijk maken om de energie van de trilling met een hoge nauwkeurigheid te meten. Dit zou mogelijk kunnen leiden tot directe waarnemingen van gekwantiseerde energie in de snaar, zoals we zouden verwachten van de theorie van de kwantummechanica."