Een internationaal team van de universiteiten van Wenen, Duisburg-Essen en Tel Aviv hebben een nanomechanische wijzer gemaakt om de tijd van een elektronische klok weer te geven, door een kleine cilinder te laten draaien met behulp van licht. Een silicium nanostaafje, minder dan een duizendste van een millimeter lang, kan worden gevangen in de lucht met behulp van gerichte laserstralen, en draaide om het tikken van een klok te volgen, slechts een miljoenste van een seconde verloren in vier dagen. Dit werk wordt gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Zeer regelmatige klokken zijn essentieel in ons dagelijks leven. Ze stellen ons in staat om te navigeren, van de mariene chronometers die worden gebruikt om de lengtegraad te bepalen, naar GPS. Stabiele klokken voeden het internet, bepalen van de snelheid waarmee informatie kan worden verzonden en ontvangen.

Als uw uurwerk zeer nauwkeurig is, het is gemakkelijk om zelfs kleine veranderingen in de regelmaat te detecteren. Door de beweging te meten van een fysiek object dat de tijd bijhoudt, zoals de slinger van een staande klok, en deze te vergelijken met een elektronische referentie, dan kunnen we storingen detecteren, zoals trillingen van de behuizing.

In onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Stefan Kuhn van de Universiteit van Wenen en collega's hebben een verbazingwekkend stabiel, materiële wijzer voor een elektronische klok, gerealiseerd door de rotaties van een micrometer grote siliconen cilinder, die door licht wordt gezweefd. Het team gebruikt de klok om de kleine rotor te schoppen met pulsen van gepolariseerd licht, waardoor het een miljoen keer per seconde draait. "Het is verbazingwekkend dat we een elektronisch signaal kunnen ontvangen, en gebruik het om de beweging van een fysiek object perfect aan te sturen, zonder enig verlies van stabiliteit. Onze klok verloor in vier dagen slechts een miljoenste van een seconde, ", zegt co-auteur James Millen. Andere van dergelijke kleine mechanische apparaten zijn beperkt in precisie door contact met hun omgeving, maar wanneer hij zweeft, blijft de nano-rotor zeer lang extreem stabiel.

Het voorbereiden van dergelijke nanomechanische apparaten is gebaseerd op de kunst van het maken van ongerepte siliciumpilaren op een chip, zoals gedaan in de groep van Fernando Patolsky aan de Universiteit van Tel Aviv. Het Weense team gebruikt een "laserhamer" om afzonderlijke staven uit te slaan en ze op te sluiten in een pincet gemaakt van licht.

Het beschrijven van de daaruit voortvloeiende dynamiek is een theoretische uitdaging die is opgelost door de theoretisch fysici Benjamin Stickler en Klaus Hornberger van de Universiteit van Duisburg-Essen. De beweging van de draaiende nanostaaf is chaotisch, een gedrag dat ook wordt aangetroffen in weerpatronen en wegverkeer. Dit klinkt misschien niet veelbelovend voor technologische toepassingen, maar het is mogelijk om eilanden van rust te vinden in de chaos, waar het tikken van de nanowijzers van de klok ultrastabiel wordt.

Het tikken van een materiaal, in plaats van elektronisch, klok is erg gevoelig voor zijn omgeving. Deze zeer nauwkeurige, kleine wijzer van een horloge kan worden gebruikt om eigenschappen van de wereld op nanoschaal nauwkeurig te meten, bijvoorbeeld drukvariaties over submillimeterafstanden. De zwevende cilinder kan door een gasstroom worden bewogen om turbulentie te meten, of door een straal van atomen of licht om de eigenschappen ervan te onderscheiden. Het zou ooit zelfs mogelijk kunnen zijn om deze methode te gebruiken om de grenzen van de kwantumfysica te testen:"Bij hoge rotatiesnelheden, dit is een omgevingssensor met een verbluffende precisie. Bij lage frequenties kan het een nieuwe reeks experimenten openen over de kwantummechanica van rotatie, ', zegt Markus Arndt.