Stam kan användas för att konstruera ovanliga egenskaper på nanoskala. Forskare i Tobias Kippenbergs laboratorium vid EPFL har utnyttjat denna effekt för att konstruera en extremt låg förlust nanostring. När den plockas, strängen vibrerar i minuter med en period på en mikrosekund (motsvarar en vanlig gitarrnot som spelas i en månad). Använd den som en ultrakänslig mikrofon, forskarna hoppas kunna upptäcka ljudet av fotoner i en laserstråle. Verket publiceras i Vetenskap .

En lektion i stresshantering

För en maskiningenjör, stress är vanligtvis besvärande. Rätt skött, dock, det kan också vara ett kraftfullt verktyg:En elastisk kropp reagerar på stress genom att justera avståndet mellan dess atomer (stam), som kan användas för att kontrollera egenskaperna hos dess elektroner. Ett exempel på sådan elastisk töjning är den moderna transistorn, vars driftshastighet förbättras genom att betona dess kiselmaterial.

Stress kan också användas för att konstruera egenskaperna hos en elastisk kropp. Sträcker en gitarrsträng, till exempel, kommer inte bara att ändra ljudet (dess vibrationsfrekvens), men också dess kvalitetsfaktor (antalet vibrationer som produceras av en enda plockning). Denna effekt, känd som "spädningsutspädning, "i oönskade i många musikaliska kretsar, men på andra områden kan det vara en enorm fördel.

Större är inte alltid bättre

Ett sådant område är nanomekanik, där kvalitetsfaktorn en oscillator dikterar dess användbarhet för applikationer som kraftavkänning. Under det senaste decenniet har ansträngda nanomekaniska oscillatorer har framträtt som ett viktigt paradigm på grund av deras onormalt höga kvalitetsfaktorer; dock, denna trend är inte lika mycket ett designval som en artefakt av stora påfrestningar som naturligt produceras i nanoskala.

Beväpnad med en kraftfull uppsättning verktyg vid EPFL:s Center for MicroNanoTechnology, forskare i Kippenbergs laboratorium gick ut på att konstruera nanomekaniska enheter med avsiktligt ökad stress och spädningsutspädning. De fann att en sträng är en idealisk geometri för detta, även om dess rörelse måste lokaliseras bort från dess stöd och samlokaliseras med sin interna stressprofil.

För att uppfylla dessa krav, forskarna mönstrade strängen till en periodisk struktur där vibrationer kunde fångas runt en central defekt:en fononisk kristall. För att samlokalisera stam, defekten är försiktigt avsmalnande, och hela mönstret skrivs ut på en sträng med ungefär 10 nm tjock och 1 cm lång (motsvarande att sträcka Golden Gate -bron över Stilla havet).

Mätningar gjorda på nanosträngenheter vid rumstemperatur avslöjar lokaliserade lägen som vibrerar vid 1 MHz i tiotals minuter, motsvarande en kvalitetsfaktor på 800 miljoner. Transponerad på en vanlig gitarrsträng, en motsvarande ton skulle spela i en månad.

Lyssnar på ljus

På grund av deras lilla massa och extrema kvalitetsfaktorer, nanostringar liknande dem som utvecklats i Kippenberg -labbet förväntas ha en viktig inverkan på traditionella avkänningstillämpningar. Fungerar som kraftsensorer, till exempel, de kan upptäcka lokala störningar på nivån av attonewtons, motsvarande gravitationen mellan människor.

En spännande applikation är att upptäcka svaga ljuskrafter. Genom att koppla en nanostring till en optisk vågledare, Kippenbergs laboratorium visade nyligen förmågan att upptäcka det mjuka ljudet av fotoner som flödar i en laserstråle (var och en ger en liten stråltryckskraft till strängen). I en överraskande twist, de visade hur denna mätning kan användas för att generera ett icke -klassiskt ljus tillstånd kallat pressat ljus, som kan användas för att öka känsligheten hos en optisk interferometer.

De ställer nu en annan fråga:är det möjligt att använda samma ljusfält för att detektera vakuumfluktuationerna i nanosträngen (en följd av dess fononliknande natur)? "Heisenbergs osäkerhetsprincip förutsäger att de två kapaciteterna står i proportion till "säger Dalziel Wilson, en av tidningens författare. "Att arbeta med denna så kallade standardkvantgräns ger möjlighet att kyla ett påtagligt mekaniskt föremål från rumstemperatur till absolut noll (dess rörelsejordtillstånd), utgångspunkten för otaliga kvantexperiment. "