量子溫度計還是光學冰箱?

2021-02-19 計量測控

多功能光力學梁在生物學,化學和電子學領域具有廣泛的應用前景。

來源:NIST新聞

上圖演示了一種量子溫度計,這是一種微米級的機械器件,可以提供高精度的溫度測試。

Credit: Emily Edwards/Joint Quantum Institute

物理學家利用光學和力學的結合,創造了一種微結構梁。當用光線照射這種微結構梁時,它們可以發揮各種強大的用途。這類光力學系統能夠在普通的室溫環境中工作,而且,由於利用了量子物理學的一些最深奧的原理,這種光力學系統可以用作自準確的溫度計,或者正相反,也可以作為一種能轉移熱的光屏蔽。該研究團隊是由聯合量子研究所(JQI)領導,這是美國國家標準與技術研究院(NIST)和馬裡蘭大學合作組建的一家研究機構。

兩篇相關論文已分別發表於《科學》(Science)和《物理評論快報》(Physical Review Letters)上,其中介紹了上述光力學系統在電子和生物學領域的潛在應用,例如可以應用於基於晶片的溫度傳感器上,由於這種傳感器溯源至自然界的基本常數,因此永遠不需要進行校準;還可以應用於微型冰箱,這種冰箱可以冷卻最先進的顯微鏡組件,從而可以獲得更高質量的圖像;此外,也能應用於改進「超材料」,從而讓研究人員用新方法來操控光和聲。

這種梁由氮化矽製成,而氮化矽是電子和光子學行業中廣泛使用的材料。製成的梁是透明的,長度約為20微米,梁身上打了一排孔,可以增強其光學和力學性能。

NIST物理學家Tom Purdy是這兩篇論文的作者之一,他指出因為氮化矽梁是一種透明的材料,所以可以令光或聲波自上而下穿透這個梁。研究人員認為,這些氮化矽梁有助於研發出更好的溫度計,而這類溫度計在我們現代的各種設備中都可以得到應用,包括手機。

聯合量子研究所(JQI)的Jake Taylor是上述論文的第一作者,據他介紹,每個人的身邊其實都圍繞著很多溫度計,有些提供溫度讀數,有些會警示晶片過熱或電池過冷。溫度計也會警示發動機油是否過熱,在運輸系統(如飛機、汽車)中發揮著至關重要的作用。

但問題是這些溫度計並不是自準確,它們需要根據某些標準進行校準或調整。而這種氮化矽梁的設計避免了這種情況,因為它是直接溯源至基礎物理學。梁的振動量與其周圍環境的溫度成比例,所以要想將氮化矽梁用作溫度計,研究人員必須能夠測量到它最微小的振動。

上方的圖片是氮化矽梁的電子顯微照片,通過測量其最微小的振動,它就可以作為高精度的「量子溫度計」。下方的圖片則顯示了梁在振動時是如何變形的(長度比例放大很多倍),紅色區域顯示了最大的變形,而藍色區域完全沒有移動。

Credit: Purdy et al., NIST/JQI

振動可能有兩種來源。第一種是普通的「熱」源,例如不斷衝擊這種梁的氣體分子,或穿過梁的聲波。第二種振動源純粹來自量子力學世界,即在原子尺度上支配著物質行為的理論。當研究人員向梁中發射光粒子或光子時,會產生量子行為。

受光線照射,梁反射光子,並在此過程中反彈,因此在梁中產生了小的振動。有時可以用海森堡不確定原理來描述這些基於量子的效應:利用光子反彈可以獲得梁位置的信息,但因為是光子使梁發生了振動,因此也帶來了梁振動速度的不確定性。

Jake Taylor表示量子力學波動給研究人員提供了一個基準點,因為系統的振動量從本質上講不可能小於這個值,通過代入玻爾茲曼常數和普朗克常數的值,研究人員可以計算出溫度。因為有了這個基準點,所以,當研究人員測得的振動量超過這個值時,例如由熱源引起了多餘的振動,他們就可以準確地推斷出環境的溫度。

但是量子波動比熱振動微弱很多,只有其百萬分之一,要想檢測到這種波動,其難度就像在洗澡時聽到掉落的一根針一樣。

研究人員在試驗中所使用的最先進的氮化矽梁是由NIST納米科學和技術中心的Karen Grutter和Kartik Srinivasan製造的。用高質量光子照射梁,並隨即分析由梁發射出來的光子,這樣就可以捕捉到光輸出過程中的微量的量子振動。研究人員的這種測量方法非常靈敏,甚至首次實現了在室溫下都可以觀察到這些量子效應,該研究結果已經發表在《科學》(Science)雜誌上。

雖然目前這種實驗溫度計還處於概念驗證階段,但研究人員認為它們對電子器件以及生物學領域的意義尤其重大,因為這種片上溫度計永遠不需要校準。

一般來說,生物過程對溫度非常敏感,37℃和39℃之間的差異非常大,經歷過孩子生病的人都知道這個道理。NIST研究人員也看到了這種溫度計在生物技術領域的應用前景,若需要測量溫度變化的物品非常之小,這種溫度計就更是大有可為。

研究人員在另一篇發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的論文中又提出了一種相反的思路。

他們並不是讓這種梁接受熱衝擊然後將其用作溫度探針,而是建議用這種梁來轉移機電設備敏感部位的熱量。

在他們提出的裝置中,研究人員將梁封閉在一個空腔中,空腔有一對鏡子可以來回反射光線。他們使用光來控制梁的振動,使梁不能以常規方向將熱量重新輻射到較冷的物體上。

圖中所示為利用光學冷卻的光機械器件,上方圖片為示意圖,下方圖片為模擬圖。光通過一系列的小孔後有可能會反射回光源,而這取決於機械系統的兩個「臂」的運動。雷射冷卻抑制了機械臂向相反方向運動,從而提高了對稱運動模式(機械臂同步運動)的性能。這種對稱模式又通過小尖端與相接表面的相互作用而改變,從而能在標準原子力顯微鏡裝置中對表面特性進行光學檢測。

Credit: Xu et al./NIST and University of Maryland

Jake Taylor將這種用途中的梁的行為比作音叉。當你拿著一個音叉並敲擊它時,它會將純粹的聲音進行傳播,而不是讓這個動作變成熱量,沿著叉子進入你的手中。

即使在空氣中,音叉也會響很長時間,音叉的兩個叉子朝相反方向振動,阻止了能量離開叉子底部傳遞到手上。

研究人員甚至設想使用光學控制的氮化矽梁作為原子力顯微鏡(AFM)的尖端,使用該尖端檢測物體表面上的力以構建原子級圖像。光控AFM尖端可以保持低溫,性能更好,因為消除熱運動有助於看清信號。

這種技術也可以用於製作更好的超材料,或製作更複雜的、利用新方式操控光線或聲音的複合對象,也可用於製造更好的鏡頭,甚至可以製造「隱形鬥篷」,即讓特定波長的光在物體周圍傳播而不是被物體反射。

如何才能製造出可以獲取光線和聲音(或者熱量和運動)的最佳屬性的材料?答案就是超材料。這是一種已經廣泛應用於工程中的技術,但是對於將光和聲結合在一起的研究能走多遠,仍然有一些疑問,而這項技術為探索這個未知領域提供了一個新工具。

——編譯:李莉萍

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