將光轉變為聲音！物理學家就是這個世界神奇的存在啊

2020-10-18 博科園

物理學家提出了一種測量光的新方法：使用顯微鼓來聽到光。阿萊曼實驗室(Alemán Lab)的這項技術被稱為「石墨烯納米機械測輻射熱計」，它利用一種有前途的新方法和材料，在高速和高溫下檢測幾乎每種顏色的光。物理學教授，也是俄勒岡大學光學、分子和量子科學中心的成員，也是菲爾和佩妮·奈特加速科學影響校園的研究員本雅明·阿萊曼(Benjamín Alemán)說：這個工具是同類中速度最快、最敏感的工具。

該設備提供了一種替代傳統用電測量光線的方法，這種方法可以在智慧型手機的攝像頭等設備中找到。取而代之的是，這種機械方法捕捉到了由光引起的無限薄鼓振動。物理學家通過聆聽鼓頭吸收光的聲音來獲得測量結果。這項技術的原理類似於在熱天敲鼓的效果，當樂器在管道太陽下加熱時，鼓膜將膨脹，其音調發生變化，發出與在較冷溫度下不同的音調。光波對機械測輻射熱計做了同樣的事情，當光線擊中設備的鼓頭時，膜加熱，膨脹，振動音調改變。

物理學家可以跟蹤這些音調變化，以測量有多少光照射到設備上。阿萊曼實驗室的博士生大衛·米勒(David Miller)說：這是一種非常新，探測光的方法，我們正在使用一種純粹的機械方法將光轉變為聲音，這種方法優點是能夠看到更廣泛的光。傳統探測器在探測高能光(如可見光或X射線)方面非常可靠，但不太擅長測量電磁光譜上的較長波長，包括紅外線和無線電波。這種機械裝置填補了這一空白，並能讓物理學家探測幾乎任何波長的光。

這在天文觀測、熱學和醫學身體成像以及深入紅外線觀察方面尤其有用。該團隊通過首先在蝕刻在矽片上的孔上延伸一層薄薄原子片來構建該設備。然後，使用之前在實驗室中開發的一種技術，將床單切割成類似於蹦床（一種非常非常小的蹦床）。這個裝置寬度是人類頭髮的十分之一，而用於蹦床的材料甚至更小：只有一個原子的厚度，大約比同一根頭髮細一百萬倍。這個系統使用石墨烯，這只是一層原子，儘可能的小。石墨烯是2004年發現的一種材料，是這項技術成功的關鍵因素。

儘管石墨烯是最薄的材料，強度是鋼的200倍，而且具有非凡的柔韌性，其發現者甚至獲得了2010年諾貝爾物理學獎，因為它有可能給物理學和工程學帶來革命性的變化。石墨烯的機械特性能讓材料對溫度變化做出令人難以置信的快速反應，這使得它能夠以同樣快的速度測量光。石墨烯為超靈敏和超快的光檢測提供了誘人前景，石墨烯還具有無與倫比的能力，可以測量幾乎任何波長的光，並且可以承受比傳統探測器高得多的溫度物理學家能夠通過其測量光的機械方法來利用石墨烯。

雖然具有光檢測的潛力，但該材料通過使用電阻測量光的傳統方法表現不佳，主要原因是需要將其冷卻到超低溫才能在常規檢測器中使用。當意識到可以通過機械方法將光轉化為聲音時，能夠開啟石墨烯的前景，並創造出超快、超靈敏的設備，其性能優於室溫，而且遠遠高於室溫。它在如此廣泛溫度範圍內工作的能力是該設備在測量光時最具優勢的品質之一。同時還可以在室溫下工作，這是關鍵的便攜性，並且它可以在高溫下工作，這是傳統光探測器不能提供的一個好處

因為當它們開始隨著溫度的升高而分解時，許多探測器將不能達到所謂的「曬傷效應」。石墨烯是一種熱穩定的材料，可以承受2000攝氏度以上的溫度。其多功能性和超靈敏性質使納米機械測輻射熱計在科學、醫學、工業製造和天文學的許多領域成為一種有用的工具研究人員希望這種設備能夠幫助科學家破解太陽和其他恆星的奧秘，通過更安全的熱X射線成像改進醫學診斷，並幫助消防員在火災中看得更清楚，從而拯救更多生命。

博科園｜研究/來自：俄勒岡大學

參考期刊《自然通訊》

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