'Klämning' används i fysik, bland annat, för att förbättra mätinstrumentens upplösning. Det gör att störande brus kan undertryckas på ett sätt så att mindre signaler kan detekteras mer känsligt. Teamet som leds av fysikern professor Eva Weig vid Konstanz universitet har nu kunnat visa hur ett sådant pressat tillstånd kan mätas på ett mycket enklare sätt än med de befintliga metoderna. Dessutom, den nya metoden gör det möjligt att undersöka pressade tillstånd i system där sådana mätningar inte var möjliga tidigare. Resultaten publiceras i det aktuella numret av tidskriften Fysisk granskning X .

Kramar de termiska fluktuationerna i en nanostring

I experimentet av gruppen Nanomekanik ledd av Eva Weig, termiska fluktuationer i en vibrerande nanomekanisk strängresonator kläms. Nanosträngen kan ses som en liten gitarrsträng, tusen gånger tunnare och kortare än ett människohår. Nanomekaniska system som nanosträngen som undersöks är lovande kandidater för högprecisionsmätinstrument. Deras känslighet, dock, är naturligt begränsad vid rumstemperatur. Värmeenergi orsakar ett termiskt brus, en darrning av strängen, vilket begränsar mätnoggrannheten. Denna okontrollerade vibration av systemet vid rumstemperatur är baserad på termodynamisk utrustningssats, en grundläggande princip för klassisk fysik. Följaktligen, termiskt brus måste vara lika stort i varje riktning av det så kallade fasrummet, dvs bilda en cirkulär fördelning.

Weig och hennes doktorand Jana Huber lade till en stark drivkraft ovanpå detta termiska buller. På så sätt slogs strängen mycket hårt. Om strängen avböjs tillräckligt långt, det slutar att bete sig linjärt. Det betyder att kraften som avleder strängen inte längre är proportionell mot kraften som drar tillbaka den till sin ursprungliga position. Den starka drivningen förändrar de termiska fluktuationerna som ett resultat av en kränkning av tidsomvändningssymmetrin. I fasutrymme, de ser inte längre ut som en cirkel utan som en ellips:åtminstone i en riktning, dess diameter, dvs bullret, blir betydligt mindre - det pressas. "Det var teoretiskt känt på förhand att detta skulle behöva hända, men det har aldrig mätts med sådan tydlighet, eftersom det är en relativt subtil effekt, ”förklarar Eva Weig.

Störande faktorer

Dock, metoden att kartlägga det pressade tillståndet direkt i fasutrymmet fungerar inte alltid. Detta gäller också nanosträngen som studerats av Konstanz -forskarna. Medan en konventionell gitarrsträng, en gång plockad, svänger fram och tillbaka bara några hundra gånger innan det lugnar ner sig igen, en nanostring vibrerar över 300, 000 gånger. Dock, denna höga "mekaniska kvalitet" gör strängen också mycket känslig för störningar, såsom minimala temperaturfluktuationer. Att mäta ett pressat tillstånd som en ellips i fasutrymme är inte möjligt i dessa system.

Huber driver därför ett annat koncept med sin mätning. Bullret undersöks inte i hela fasrummet, men bara lösas spektralt, dvs enligt de frekvenser som förekommer däri. Förutom frekvensomriktaren, spektrumet visar ytterligare två frekvenskomponenter, en till vänster och en till höger om enheten, som tilldelas det termiska bruset. Teoretiska fysiker Dr Gianluca Rastelli och professor Wolfgang Belzig från University of Konstanz och professor Mark Dykman från Michigan State University (USA), som också är involverade i arbetet, hade förutsagt exakt denna förekomst av ytterligare frekvenser. "Men ingen hade någonsin sett det så vackert förut. Detta har att göra med att vår mekaniska kvalitet är så hög att vi kunde lösa det med kristallklarhet, säger Eva Weig.

Således, Det är också första gången som dessa två satellitsignaler kan ses skilja sig åt i höjd. I nära samarbete med Gianluca Rastelli, Huber kunde visa att skillnaden i intensitet mellan dessa två satelliter - förhållandet mellan områdena under de två satellitsignalerna - är ett direkt mått på klämparametern, dvs hur starkt bullret pressas.

'Radikalt enkelt'

'Radikalt enkelt' är hur fysikerna Weig och Dykman beskriver metoden som möjliggör klämmätningar inte bara i mekaniska system som det här, men över ett brett spektrum av system - det avgörande är att de är av hög kvalitet och har en stark drivkraft. Det finns till och med kopplingar till kvantmekaniska system.

Vidare, det finns en "fängslande kongruens mellan experiment och teori, "som Eva Weig och Wolfgang Belzig enhälligt betonar. De uppmätta data passar exakt till modellen som de teoretiskt-fysiska kollegorna i Konstanz och vid Michigan State University utvecklat.