I ett arrangerat äktenskap mellan optik och mekanik, fysiker har skapat mikroskopiska strukturella balkar som har en mängd olika kraftfulla användningsområden när ljus slår dem. Kan arbeta i vanliga, rumstemperatur, men utnyttjar några av de djupaste principerna för kvantfysik, dessa optomekaniska system kan fungera som inneboende noggranna termometrar, eller omvänt, som en typ av optisk sköld som avleder värme. Forskningen utfördes av ett team som leds av Joint Quantum Institute (JQI), ett forskningssamarbete mellan National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland.

Beskrivs i ett par nya papper i Vetenskap och Fysiska granskningsbrev , de potentiella tillämpningarna inkluderar chipbaserade temperaturgivare för elektronik och biologi som aldrig skulle behöva justeras eftersom de förlitar sig på grundläggande naturkonstanter; små kylskåp som kan kyla toppmoderna mikroskopkomponenter för bilder av högre kvalitet; och förbättrade "metamaterial" som kan göra det möjligt för forskare att manipulera ljus och ljud på nya sätt.

Tillverkad av kiselnitrid, ett mycket använt material inom elektronik- och fotonikindustrin, strålarna är cirka 20 mikron (20 miljoner av en meter) långa. De är transparenta, med en rad hål borrade genom dem för att förbättra deras optiska och mekaniska egenskaper.

"Du kan skicka ljus ner i denna stråle eftersom det är ett transparent material. Du kan också skicka ljudvågor ner i strålen, "förklarade Tom Purdy, en NIST -fysiker som är författare på båda tidningarna. Forskarna tror att strålarna kan leda till bättre termometrar, som nu finns överallt i våra enheter, inklusive mobiltelefoner.

"I princip bär vi med oss ​​ett gäng termometrar hela tiden, "sa JQI -stipendiat Jake Taylor, senior författare till de nya tidningarna. "Vissa ger temperaturavläsningar, och andra meddelar dig om ditt chip är för varmt eller om batteriet är för kallt. Termometrar spelar också en avgörande roll i transportsystem - flygplan, bilar - och berätta om din motorolja överhettas. "

Men problemet är att dessa termometrar inte är korrekta från hyllan. De måste kalibreras, eller justerad, till någon standard. Konstruktionen av kiselnitridstrålen undviker denna situation genom att förlita sig på grundläggande fysik. För att använda strålen som en termometer, forskare måste kunna mäta de minsta möjliga vibrationerna i strålen. Mängden som strålen vibrerar är proportionell mot omgivningens temperatur.

Vibrationerna kan komma från två typer av källor. De första är vanliga "termiska" källor såsom gasmolekyler som buffrar strålen eller ljudvågor som passerar genom den. Den andra vibrationskällan kommer enbart från kvantmekanikens värld, teorin som styr materiens beteende i atomskala. Kvantbeteendet uppstår när forskarna skickar ljuspartiklar, eller fotoner, nerför strålen. Slagen av ljus, den mekaniska strålen reflekterar fotonerna, och backar i processen, skapar små vibrationer i strålen. Ibland beskrivs dessa kvantbaserade effekter med hjälp av Heisenbergs osäkerhetsförhållande-fotonstoppet leder till information om strålens position, men eftersom den ger vibrationer till strålen, det tillför osäkerhet till strålens hastighet.

"De kvantmekaniska fluktuationerna ger oss en referenspunkt eftersom huvudsakligen du kan inte få systemet att röra sig mindre än så, "Sa Taylor. Genom att koppla in värden för Boltzmanns konstant och Plancks konstant, forskarna kan beräkna temperaturen. Och med tanke på den referenspunkten, när forskarna mäter mer rörelse i strålen, såsom från termiska källor, de kan exakt extrapolera temperaturen i miljön.

Dock, kvantfluktuationerna är en miljon gånger svagare än de termiska vibrationerna; att upptäcka dem är som att höra en nål falla mitt i en dusch.

I deras experiment, forskarna använde en toppmodern kiselnitridstråle byggd av Karen Grutter och Kartik Srinivasan vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology. Genom att lysa högkvalitativa fotoner vid strålen och analysera fotoner som avges från strålen kort därefter, "vi ser lite av den kvantvibrationsrörelse som tas upp i ljusets utgång, "Purdy förklarade. Deras mätmetod är tillräckligt känslig för att se dessa kvanteffekter ända upp till rumstemperatur för första gången, och publiceras i veckans nummer av Vetenskap .

Även om de experimentella termometrarna befinner sig i en proof-of-concept-fas, forskarna tänker sig att de kan vara särskilt värdefulla i elektroniska enheter, som on-chip termometrar som aldrig behöver kalibreras, och inom biologi.

"Biologiska processer, i allmänhet, är mycket känsliga för temperatur, som alla som har ett sjukt barn vet. Skillnaden mellan 37 och 39 grader Celsius är ganska stor, "Sa Taylor. Han förutser tillämpningar inom bioteknik, när du vill mäta temperaturförändringar i "så liten mängd produkt som möjligt, " han sa.

Forskarna går i motsatt riktning i en andra föreslagen applikation för balkarna, beskrivs i en teoretisk uppsats publicerad i Fysiska granskningsbrev .

Istället för att låta värmen träffa strålen och låta den fungera som en temperatursond, forskarna föreslår att man använder strålen för att avleda värmen från, till exempel, en känslig del av en elektromekanisk anordning.

I sin föreslagna installation, forskarna innesluter strålen i ett hålrum, ett par speglar som studsar ljus fram och tillbaka. De använder ljus för att styra strålningens vibrationer så att strålen inte kan utstråla inkommande värme i sin vanliga riktning, mot ett kallare föremål.

För denna applikation, Taylor liknar strålens beteende med en stämgaffel. När du håller en stämgaffel och slår den, det utstrålar rena ljudtoner istället för att låta den rörelsen förvandlas till värme, som går nerför gaffeln och in i din hand.

"En stämgaffel ringer länge, även i luften, "sa han. Gaffelns två stift vibrerar i motsatta riktningar, han förklarade, och avbryt ett sätt för energi att lämna botten av gaffeln genom din hand.

Forskarna föreställer sig till och med att använda en optiskt styrd kiselnitridstråle som spetsen på ett atomkraftmikroskop (AFM), som detekterar krafter på ytor för att bygga upp bilder i atomskala. Ett optiskt styrt AFM -tips skulle hålla sig svalt - och prestera bättre. "Du tar bort termisk rörelse, vilket gör det lättare att se signaler, "Förklarade Taylor.

Denna teknik kan också användas för att göra bättre metamaterial, komplexa sammansatta föremål som manipulerar ljus eller ljud på nya sätt och kan användas för att göra bättre linser eller till och med så kallade "osynlighetsmantlar" som gör att vissa våglängder av ljus passerar genom ett objekt snarare än att studsa från det.

"Metamaterial är vårt svar på, 'Hur gör vi material som fångar de bästa egenskaperna för ljus och ljud, eller för värme och rörelse? '"sa Taylor." Det är en teknik som har använts mycket inom teknik, men att kombinera ljus och ljud tillsammans är fortfarande lite öppet om hur långt vi kan gå med det, och detta ger ett nytt verktyg för att utforska det utrymmet. "