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纳米手表手稳

通过Phys.org|2017年11月21日

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来自维也纳大学、杜伊斯堡-埃森大学和特拉维夫大学的一个国际团队,通过利用光旋转一个微小的圆柱体,创造了一种纳米机械指针,可以显示电子钟的时间。一根长度不到千分之一毫米的硅纳米棒,可以利用聚焦的激光束被困在稀薄的空气中,并随着时钟的滴答声旋转,在四天内只损失百万分之一秒。这项工作将发表在自然通讯.

有规律的时钟在我们日常生活中是必不可少的。它们使我们能够航行,从用来测定经度的航海时计,到全球定位系统。稳定的时钟为互联网提供动力,定义了信息发送和接收的速度。

如果你的钟表非常精确,就很容易发现它的规律性哪怕是很小的变化。通过测量一个记录时间的物理物体的运动,比如祖父时钟的钟摆,并将其与电子参考相比较,我们就可以检测到干扰,比如表壳的振动。

发表于自然通讯维也纳大学(University of Vienna)的斯特凡•库恩(Stefan Kuhn)及其同事为电子钟创造了一种惊人的稳定的材料指针,这是通过一个微米大小的硅圆柱体的旋转实现的,该圆柱体被光悬浮起来。研究小组利用时钟用偏振光脉冲推动微小的转子,使其每秒旋转100万次。“我们可以接收电子信号,并利用它完美地驱动一个物理物体的运动,而不失去任何稳定性,这是令人惊讶的。我们的时钟在四天里只损失了百万分之一秒。其他这样的微小机械设备由于与环境接触而在精度上受到限制,但当悬浮纳米转子在很长时间内仍然非常稳定。

准备这样的纳米机械设备依赖于在芯片上制造原始硅柱的技术,特拉维夫大学的费尔南多·帕托尔斯基小组就是这样做的。维也纳研究小组使用“激光锤”敲碎单个的金属棒,并将它们夹在由光制成的镊子中。

描述随之而来的动力学是一个理论挑战,杜伊斯堡-埃森大学(University of Duisburg-Essen)的理论物理学家本杰明·斯蒂克勒(Benjamin Stickler)和克劳斯·霍恩伯格(Klaus Hornberger)解决了这个问题。旋转纳米棒的运动是混乱的,这种行为也存在于天气模式和道路交通中。这听起来可能对技术应用没有什么希望,但在混乱中找到平静的岛屿是可能的,在那里,纳米指针的滴答声变得超级稳定。

一种材料的滴答声,而不是电子的,时钟对环境非常敏感。这种高度精确的手表指针可以用来精确测量纳米尺度上的世界属性,例如亚毫米距离上的压力变化。悬浮的圆柱体可以通过气体流动来测量湍流,或者通过一束原子或光来分辨它的性质。也许有一天,我们甚至可以用这种方法来测试量子物理的极限:“在高转速下,这是一个精确度惊人的环境传感器。在低频下,它可以开启一系列关于旋转量子力学的新实验。”马库斯·阿恩特说。


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