AMOLF-forskare har utvecklat strängar i nanoskala vars rörelse kan omvandlas till ljussignaler med oöverträffad styrka. Detta kan möjliggöra extremt exakta sensorer och kommer med en viktig bieffekt. "Analogt med en gitarrförstärkare i overdrive som producerar förvrängda ljudvågor, vår starka rörelse-till-ljus-omvandling leder till förvrängda ljussignaler, " säger gruppledare Ewold Verhagen. "Men dessa signaler bär faktiskt information om rörelsen som kan leda till nya sätt att mäta kvantmekanisk rörelse." Forskarna publicerade sina resultat den 7 juli 2017 i Naturkommunikation .

När en gitarrspelare höjer volymen på förstärkaren till de högsta förstärkningsnivåerna, gitarrsträngarnas "rena" harmoniska vibrationer omvandlas till förvrängda ljudvågor. Detta "smutsiga" ljud är ofta önskvärt – skriket från överdrivna gitarrförstärkare har definierat ljudet av rockmusik i decennier.

Tätt begränsat ljus

Photonic Forces-gruppen vid AMOLF studerar interaktionen mellan rörelse och ljus med hjälp av nanoskala kiselsträngar som vibrerar som gitarrsträngar i miljontals gånger per sekund. Forskarna använder ljus för att mäta dessa vibrationer med extrem precision. Doktoranden Rick Leijssen och hans kollegor utvecklade strängar med en speciell form för att pressa ljus mellan strängarna i en skala av tiotals nanometer. "Den snäva inneslutningen gör att mekanisk rörelse omvandlas till ljussignaler med oöverträffad styrka. Detta är ett stort steg framåt för att skapa rörelsesensorer med extrem precision, Leijssen säger. "Sådana sensorer kan detektera strängvibrationer med amplituder så små som en protons storlek och kan användas för att mäta små krafter och massor."

Förvrängda signaler

Den starka omvandlingen av rörelse till ljus i kiselsträngarna har en bieffekt:omvandlingen är så stark att även för de små inre fluktuationerna i strängarna, ljuset är överstyrt, ' analogt med vad som händer i rockgitarrförstärkare. Verhagen säger:"Liknande det skrikande ljudet från en överstyrd förstärkare, ljussignalerna i vårt experiment innehåller många högre övertoner ('övertoner') av den grundläggande strängresonansen. Detta beror på att omvandlingen mellan rörelse och ljus inte längre är linjär."

Avslöjar kvantmekaniskt beteende

På ett sätt, denna olinjära omvandling utgör en praktisk gräns för rörelsekänsligheten. Dock, de förvrängda ljussignalerna kunde komma till ny användning. En viktig anledning till att AMOLF-fysikerna studerar små strängvibrationer är att avslöja om objekt som strängar beter sig enligt kvantmekanikens lagar. Postdoktor Juha Muhonen säger:"De högre övertonerna i de producerade ljussignalerna bär olika typer av information om nanosträngens rörelse. Till exempel, vi visade att de tillåter mätning av vibrationsenergin med hög noggrannhet. Detta kan potentiellt leda till direkta observationer av kvantiserad energi i strängen, som vi kan förvänta oss av teorin om kvantmekanik."