En ny mekanisk "klocka" har skapats av ett internationellt team av forskare, ledd av forskare vid University of St Andrews, som skulle kunna testa gravitationens grundläggande fysik.

Den leviterade mekaniska oscillatorn, skapad i en glaskula lika stor som en enda blodkropp, manipulerades av ljus av teamet för att skapa en ultrakänslig sensor som kunde mäta temperatur- och tryckförändringar på nanoskala.

Denna mycket exakta klocka skulle potentiellt kunna upptäcka gravitation i mindre skalor än vad som tidigare varit möjligt och hitta potentiella bevis för avvikelser från Newtons gravitationslagar som kräver ny fysik utöver vad vi för närvarande förstår.

Forskningen, med stöd av UK Engineering and Physical Sciences Research Council och Czech Science Foundation, publiceras i Vetenskapliga framsteg .

Resonans är ett fenomen som finns runt omkring oss:det uppstår när ett objekt vibrerar eller "oscillerar" i samma naturliga takt som ett intilliggande andra objekt, detta tvingar det andra objektet att vibrera själv, visar ofta stora rörelser.

För att göra klangfulla musikinstrument, vi använder resonans mellan luften och instrumentkroppen. Resonans förklarar till och med ljudet av havet som hörs när ett snäckskal placeras upp till ditt öra.

Inom fysiken kan detta användas med stor effekt med resonatorer som är lika stora som celler eller till och med atomer. De genomgår periodisk rörelse, som en tickande klocka, och kan köra varandra. Detta leder till sätt att göra mätningar med oöverträffad noggrannhet.

Till exempel, periodiska interna energihopp (vibrationer) i atomer kan vara kopplade till externa klockor:dessa är kärnan i tillverkningen av Global Positioning Systems (GPS) för extremt precisionstid. Hur länge denna periodiska rörelse kan bibehållas bestäms av "Q"-värdet. En resonator med hög Q-faktor ringer eller vibrerar för längre tid vilket möjliggör mer exakta mätningar.

Nu forskare från University of St Andrews i Skottland, Institutet för vetenskapliga instrument vid den tjeckiska vetenskapsakademin i Tjeckien, Chiba University i Japan och Yonsei University i Korea har sett ultraprecisa periodiska rörelser i en mycket liten glaskula, storleken på en blodkropp, hålls i vakuum av ljus.

Att utföra studien i vakuum hjälpte till att undvika friktion som skulle dämpa rörelsen – och minska Q-värdet. Teamet manipulerade ljuset för att få den lilla sfären att röra sig både fram och tillbaka och snurra i perfekt harmoni, skapa en mycket väldefinierad "klocka".

Sfärens rörelse nådde ett Q-värde på mer än 100 miljoner, över 100 gånger högre än tidigare rapporterade resultat för sådana system. Denna rörelse är mycket känslig för yttre påverkan och teamet strävar efter att använda den för att fånga upp små miljöstörningar, såsom förändringar i temperatur och tryck, och till och med testa grundläggande fysik.

Dr Yoshi Arita, från School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews, och av Molecular Chirity Research Center vid Chiba University, sa:"Tyvärr, även kollisioner från de glesa gasmolekylerna runt partikeln kan leda till fel i vår klockas tickande (mikrosfärens rörelse) vilket kan begränsa dess precision.

"Vi korrigerade dessa fel genom att ta en periodisk lasersignal för att driva eller" knuffa "mikrosfären:snarare som ett barn på en gunga som sparkar benen i exakt rätt ögonblick med gungan för att få den att göra stora svängningar:detta gjorde rörelsen av vår sfär mycket stabil. Om det här faktiskt var en klocka, det skulle vara så exakt att det bara skulle ha förlorat en halv miljondels sekund på en hel dag."

Dr Stephen Simpson, en teoretisk fysiker vid Institutet för vetenskapliga instrument vid den tjeckiska vetenskapsakademin, sa:"På en mikroskopisk längdskala, en partikels rörelse är slumpmässig till sin natur på grund av energifluktuationer, men det är häpnadsväckande att se att naturen också har utarbetat ett schema för att utvinna användbart arbete med riktad rörelse från denna minuskula maskin."

Professor Kishan Dholakia, vid School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews och en associerad professor vid Chiba och Yonsei universitet, sa:"Teamet har utfört ett verkligt enastående arbete som vi tror kommer att ge genklang hos det internationella samfundet. Förutom de spännande grundläggande fysikaspekterna, kvaliteten på våra oscillatorer sätter ett nytt riktmärke på detta område. Vi strävar efter att utforska dessa för att utveckla nästa generation av utsökta sensorer. "

Uppsatsen "Koherenta svängningar av en leviterad dubbelbrytande mikrosfär i vakuum driven av icke-konservativ rotations-translationskoppling" av Y Arita, S H Simpson, P Zemanek, och K Dholakia publiceras i Vetenskapliga framsteg .