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量子温度计仍是光学冰箱?

发布时间:2019-05-17 来源:大满贯老品牌网站

  正在光学和力学的放置连系中,物理学家创制了微不雅布局光束,当光线映照它们时,它们具有各类强大的用处。这些光机械系统可以或许正在通俗的室温中工做,并操纵量子物理学的一些最深刻的道理,能够做为固有的切确温度计,或相反,做为一种转移热量的光学屏障。该研究由结合量子研究所(JQI)带领的团队进行,该研究所是国度尺度取手艺研究院(NIST)和马里兰大学的研究合做。

  正在Science and Physical Review Letters的一篇新论文中描述,潜正在的使用包罗用于电子和生物学的基于芯片的温度传感器,因为它们依赖于天然界的根基,因而永久不需要进行调整。微型冰箱,能够冷却最先辈的显微镜组件,以获得更高质量的图像; 和改良的“超材料”,能够让研究人员以新的体例光和声。

  由氮化硅制成,这是电子和光子学行业中普遍利用的材料,光束长度约为20微米(百万分之二十万米)。它们是通明的,正在它们钻了一排孔,以加强它们的光学和机械机能。

  “你能够向这个光束发光,由于它是一种通明材料。你也能够向光束发出声波,”两位的做者,NIST物理学家汤姆普尔迪注释道。研究人员认为,光束能够发生更好的温度计,这些温度计现正在正在我们的设备中无处不正在,包罗手机。

  “根基上我们一曲带着一堆温度计,”JQI研究员Jake Taylor暗示,他们是新论文的高级做者。“有些供给温度读数,其他人会告诉您芯片能否过热或电池过冷。温度计正在运输系统中起着至关主要的感化 - 飞机,汽车 - 并告诉您策动机机油能否过热。 “

  但问题是这些温度计现货不精确。它们需要按照某些尺度进行校准或调整。氮化硅束的设想通过依赖根本物理学避免了这种环境。要将光束用做温度计,研究人员必需可以或许丈量光束中最细小的振动。光束振动的量取其四周的温度成比例。

  振动能够来自两种来历。第一种是通俗的“热”源,例如气体发抖光束或通过它的声波。第二个振动源纯粹来自量子力学的世界,量子力学是正在原子标准上节制物质行为的理论。当研究人员向光束发射光或光子粒子时,会发生量子行为。受光线映照,机械光束反射光子,并正在此过程中反弹,正在光束中发生小的振动。有时利用海森堡不确定关系描述这些基于量子的效应 - 光子反弹导致关于光束的消息,可是由于它付与光束振动,它添加了光束速度的不确定性。

  “量子力学波动为我们供给了一个参考点,由于从底子上说,你不克不及让系统挪动得少于此,”泰勒说。通过插入玻尔兹曼和普朗克的值,研究人员能够计较出温度。而且考虑到该参考点,当研究人员丈量光束中的更多活动时,例自热源,他们能够精确地揣度出的温度。

  正在他们的尝试中,研究人员利用了由Naren纳米科学和手艺核心的Karen Grutter和Kartik Srinivasan建制的最先辈的氮化硅梁。通过正在光束上映照高质量的光子并正在此后不久阐发从光束发射的光子,“我们看到光输出中拾取的一点量子振动,”Purdy注释说。他们的丈量方式脚够活络,能够初次将这些量子效应一曲看到室温,并颁发正在本周的“ 科学”上。

  虽然尝试温度计处于概念验证阶段,但研究人员估计它们正在电子设备中可能出格有价值,由于片上温度计从不需要校准,也合用于生物学。

  “一般来说,生物过程对温度很是,由于生病的孩子都晓得。37到39摄氏度之间的差别很是大,”泰勒说。他说,当你想要丈量“尽可能少量产物”的温度变化时,他预见到了生物手艺的使用。

  正在物理评论快报(Physical Review Letters)颁发的一篇理论论文中描述了研究人员正在第二个提出的光束使用标的目的上的相反标的目的。

  研究人员利用光束来转移来自例如机电设备的部门的热量,而不是让热量撞击光束并使其成为温度探测器。

  正在他们提出的设置中,研究人员将光束封锁正在一个空腔中,一对镜子能够来回反射光线。它们利用光来节制光束的振动,使光束不克不及以其凡是的标的目的将热量从头辐射到较冷的物体上。

  对于这个使用,泰勒将光束的行为比做音叉。当你拿着一个音叉并敲击它时,它会发出的声音,而不是让这个动做变成热量,从而沿着叉子进入你的手中。

  “即便正在空中,音叉也会长时间响起,”他说。他注释说,叉子的两个叉子正在相反的标的目的上振动,并打消了能量通过你的手分开叉子底部的体例。

  研究人员以至想象利用光学节制的氮化硅光束做为原子力显微镜(AFM)的尖端,其检测概况上的力以成立原子标准图像。光学节制的AFM尖端将连结风凉 - 而且表示更好。“你正正在消弭热活动,这使得更容易看到信号,”泰勒注释道。

  这种手艺也可用于制制更好的超材料,复杂的复合物体,以新的体例光线或声音,并可用于制制更好的镜头,以至能够用于制制某些波长的光通过的所谓“大氅”一个对象,而不是从它弹跳。

  “超材料是我们的谜底,我们若何制制可以或许捕获光线和声音,热量和活动的最佳特征的材料?”泰勒说。“这种手艺已被普遍使用于工程范畴,但将光取声连系正在一路对于我们能走多远仍然有点,这为摸索这个空间供给了新的东西。”