Natuurkundigen van AMOLF hebben een swingende, string van nanoformaat tot bijna nul temperatuur zonder gebruik te maken van externe koeling. In hun experiment hebben de koeling is een intrinsiek resultaat van een 'snapshot' positiemeting die ze hebben uitgevoerd op een speciaal ontworpen nanostructuur. De snapshot-methode, ontwikkeld in de Photonic Forces-groep van AMOLF, biedt kansen voor nieuwe toepassingen in quantum sensing met ongekende gevoeligheid. De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in een artikel gepubliceerd op 9 september in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een schommel op de speelplaats beweegt niet totdat iemand er een duwtje tegen geeft, maar een schommel van nanoformaat (of een nanomechanische resonator) is altijd in beweging als gevolg van willekeurige thermische trillingen. "De conventionele methode om de positie van een nanoswing nauwkeurig te meten, heeft een beperkt voorspellend vermogen, omdat de gegevens in de tijd worden gemiddeld, ' legt groepsleider Ewold Verhagen uit. 'Voordat de meting voorbij is, de invloed van temperatuur heeft de positie al met een willekeurige hoeveelheid veranderd."

Dus, om op elk moment nauwkeurige kennis van de positie van de schommel te verwerven, thermische beweging moet worden geëlimineerd. "Om echt te weten waar het object is, je een (bijna) nul temperatuur nodig hebt, ", zegt Verhagen. "In experimenten met tijdgemiddelde positiemetingen, dit wordt meestal bereikt door het experiment fysiek te koelen tot bijna nul Kelvin."

Meten =koelen

De Photonic Forces-groep van AMOLF ontwikkelde een andere aanpak door met laserlicht nauwkeurige en bijna onmiddellijke metingen (snapshots) te doen van de positie van de nanoschaalstructuur:een kleine silicium dubbele staaf die trilt als een snaar. "Het ontwerp van onze nanoswing stelt hem in staat om sterk te interageren met het laserlicht dat we gebruiken om zijn positie te meten. Het feit dat we een momentopname maken in plaats van een tijdgemiddelde meting, is cruciaal, ", zegt Verhagen. "Sinds 1978 wetenschappers in Rusland en Oostenrijk hebben voorgesteld om metingen te gebruiken, waarvan de duur veel korter is dan de zwaaiperiode, en de tijd die de nanoswing nodig heeft om te interageren met zijn thermische omgeving. We hebben nu aangetoond dat we met de snapshots de positie van de nanoswing nauwkeurig kunnen voorspellen, ook zonder externe koeling. De meting zelf heft thermische onzekerheid op, en koelt dus de nanoswing zoveel als een externe koelmethode zou doen."

Kwantumfluctuaties

Hoewel ze niet de eerste groep zijn die het snapshot-principe demonstreert, Verhagen en zijn team hebben een ongekende meetnauwkeurigheid bereikt die niet alleen de thermische trillingen elimineert, maar valt ook binnen het bereik van nog kleinere kwantumfluctuaties van de nanoswings.

Verhagen zegt, "Dergelijke kwantumfluctuaties blijven bestaan, zelfs bij de temperatuur van het absolute nulpunt. Dus, ze stellen normaal gesproken een grens aan de gevoeligheid van mechanische metingen. Maar theoretisch, snelle snapshot-metingen zijn niet onderhevig aan de beperking van kwantumfluctuaties. Daarom, onze bevindingen kunnen heel goed leiden tot nieuwe toepassingen in kwantumsensoren. Ideaal, we willen detectiemethoden ontwikkelen met minder ruis dan de beste (tijdgemiddelde) detectiemethoden in een nul Kelvin-omgeving. "