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利用纳米弦的热波动进行高精度的压缩测量

更新时间:2020-07-13 20:37点击:

康斯坦茨大学物理系的科学家们开发了一种全新的测量压缩的方法。一个潜在的起点,为高精度传感器技术。

“没有,Squeezing”在物理学中,除其他外,用于提高测量仪器的分辨率。它允许以一种能更灵敏地探测到较小信号的方式来抑制干扰噪声。由Konstanz大学的物理学教授Eva Weig领导的团队现在已经能够展示如何用一种比现有方法更简单的方法来测量这种压缩状态。此外,新方法允许在以前无法测量的系统中检测压缩态。研究结果发表在最新一期的《物理评论X》杂志上。

压缩纳米弦的热波动

在Eva Weig领导的纳米力学小组的实验中,压缩了振动纳米力学弦谐振器的热波动。纳米弦可以被认为是一根很小的吉他弦,比人的头发还要细一千倍。纳米力学系统,如正在研究的纳米弦是很有前途的候选高精度测量仪器。然而,它们的灵敏度在室温下自然受到限制。热能会产生热噪音,琴弦会抖动,这就限制了测量的准确性。该系统在室温下不受控制的振动是基于经典物理学的基本原理热力学均分定理。因此,热噪声在所谓相空间的各个方向上必须相等大,即形成圆形分布。

理论上,人们事先就知道会发生这种情况,但从未如此清晰地测量过,因为这是一种相对微妙的影响。本;伊娃·威格教授,康斯坦茨大学物理学家

伊娃·威格和她的博士生亚娜·胡贝尔在这种热噪音之外又增加了一种强烈的驱动。这样,绳子就被狠狠地击了一下。如果弦偏离足够远,它就不再线性运动。这意味着使弦偏转的力不再与将它拉回原来位置的力成比例。由于违反了时间反转对称,强驱动器改变了热涨落。在相空间中,它们不再像圆而是像椭圆:至少在一个方向上,它的直径,即噪声,变得非常小–这是挤压。理论上,人们事先就知道会发生这种情况,但从未如此清晰地测量过,因为这是一种相对微妙的影响。伊娃Weig解释道。

令人不安的因素

然而,在相空间中直接映射压缩态的方法并不总是有效的。这也适用于Konstanz研究人员所研究的纳米弦。传统的吉他弦一旦被拨动,在再次平静下来之前只来回摆动几百次,而一根奈米弦会震动超过30万次。然而,这种高机械质量;也使得弦对扰动非常敏感,比如最小的温度波动。在这些系统中,测量相空间中的椭圆压缩态是不可能的。

因此,Jana Huber用她的测量追求一个不同的概念。噪声不会在整个相空间中被检测,而只是在频谱上被分辨,即根据其中发生的频率。除了驱动频率之外,频谱还显示了另外两个频率成分,一个在驱动的左边,一个在驱动的右边,它们被分配给热噪声。来自康斯坦茨大学的理论物理学家Gianluca Rastelli博士和Wolfgang Belzig教授以及密歇根州立大学(美国)的Mark Dykman教授也参与了这项工作,他们准确地预测了进一步频率的出现。但是以前没有人见过它这么美。这与我们的机械质量如此之高的事实有关,我们能够用水晶般的清晰度来解决它。伊娃Weig说。

因此,这也是第一次可以看到这两个卫星信号在高度上的不同。在与吉安卢卡·拉斯泰利的密切合作下,贾纳·胡贝尔能够证明这两颗卫星的强度差异。两颗卫星信号下的面积比–是压缩参数的直接度量,即压缩噪声的强度。

“没有,从根本上Simple”

“没有,从根本上simple”这就是物理学家Eva Weig和Mark Dykman所称的方法,这种方法不仅可以在像这样的机械系统中压缩测量值,而且可以在广泛的系统中压缩测量值。最关键的是他们有高质量和强大的驱动力。甚至与量子力学系统也有联系。

此外,实验和理论之间有一种令人着迷的一致性。正如伊娃·威格和沃尔夫冈·贝尔齐一致强调的那样。测量到的数据与康斯坦茨和密歇根州立大学的理论物理学同事建立的模型吻合得很精确。

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参考文献:弱阻尼驱动纳米力学模型压缩的光谱证据J .  S。胡贝尔,G.拉斯泰利,M. 塞特纳,J. kouml lbl, W. Belzig, M. thing。Dykman和E .  M。魏格,2020年6月23日,物理评论X。

DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.021066

在欧洲FET主动项目HOT(732894)的资助下,德国联邦教育和研究部(BMBF)作为QuantERA项目QuaSeRT (13N14777)的一部分,合作研究中心SFB 767 “在康斯坦茨大学。马克·戴克曼的研究得到了美国国家科学基金会的资助。dmr - 1806473)。他是康斯坦茨大学Zukunftskolleg的高级研究员。