蹦床谐振器感知极弱的机械力

原创 2016-06-22 戴闻译 中国物理学会期刊网

历史已经证明，拥有制作更好传感器的能力，将有助于开拓新的物理实验。反之，新的实验又会促进开发更好的传感器。在机械工程和量子物理学的交叉领域，研究人员正在使用纳米刻蚀工具，制作新一类基于机械谐振器的传感器。通过制备具有精细机械性能和光学性能的薄膜，两个研究组现在已经展示了“蹦床谐振器”，它能分辨极其微弱的力(~16×10^-18 N，这个力的大小就相当于人与人之间相距100 km时的引力)，并且在室温环境中展现出量子运动。

一般而言，机械系统在与其他系统耦合方面，几乎具有独一无二的优势。机械系统可以被裁剪，以便有效测量大量不同的现象，从微观尺度到宏观尺度。例如，将一粒纳米磁体放置在微米级悬臂的一端，便能够检测到来自一个单电子自旋的力；在频谱的另一端，厚重的悬镜被置于km 尺度的干涉仪中，最近已经探测到了来自黑洞的引力波。尽管上述两个事例在规模上和物理上存在差异，这些技术的测量灵敏度，总是依赖于使机械耗散最小化的能力。耗散可以被看作是来自任何机制，通过这些机制导致机械能损失。例如，损失可以来自内摩擦或并非有意设计的指向环境的振动辐射。最重要而又不可避免的是，任何耗散的源也是噪声的来源。正是这种噪声会降低一个机械系统作为传感器的性能，进而模糊量子行为的任何证据。

在理想情况下，机械系统将充分地隔离所有噪声源(主要是来自环境的热噪声)，而仅仅耦合到感兴趣的信号和读出机制。这种隔离和读出所达到的水平，现在很容易在原子系统中实现。正如被捕获的离子，此刻机械谐振器是处于电磁捕获状态中并做简谐运动的单个原子，激光是离子运动与外部世界的微妙中介。这种联系允许运动被光学力控制，允许运动以某种灵敏度被读出，读出过程中只受到量子力学法则的限制。科学界已经仿效这些技术用来控制和检测更大系统的运动，这里机械谐振器不再是一个单一原子，而是一个由数万亿原子组成的大块固体。毫不奇怪，在这些宏观机械系统中，机械损耗要糟糕得多，因为它们不是像它们的原子对应物漂浮在半空中，而是物理地连接到外面的世界。

利用光—机械相互作用，各种量子效应已在宏观机械系统被观察到。就像在原子物理和激光冷却技术中，光—机械相互作用已被用来消除光—机械器件中所有的热噪声，使机械系统处于一个纯粹的量子状态。然而，到目前为止，这些实验都需要在低温环境下运行。在高拉伸应力下，氮化硅膜已成为一个机械谐振器的候选者，其低的光学和机械损耗可能会允许人们在室温下观察到量子行为。

荷兰代尔夫特理工大学的Simon Gröblacher 和同事们，加拿大麦克吉尔大学的Jack Sankey 与合作者，这一次完成了新的实验。他们展示了这些膜真正优化所能达到的水平，在光—机械相互作用达到最大化的同时，使光学损失和机械损失达到最小。传统的方法是方形膜锚定在衬底的全范围内，而这一回，研究人员制作的氮化硅膜是通过4条窄带固定在硅衬底框架上( 见图)，就像用4 根弦悬挂起来的蹦床。这种几何配置是有利的，原因如下：首先，窄带弦的长度和厚度之间的比率可调，这有助于确保大部分谐振器的机械能量储存于弦的张应变之中，而不是储存于容易产生损失的弯曲刚度之中。其次，整个谐振器的质量减小，直接提高了力的敏感度，从而确保谐振器在最小力的情况下，给出相对较大的机械位移。最后，蹦床的几何配置可提供以下保证，即有一个基本的振动模式，它的共振频率与许多其他高频机械共振是分隔开的，后者可能会降低系统的性能。