In un matrimonio combinato di ottica e meccanica, i fisici hanno creato travi strutturali microscopiche che hanno una varietà di potenti usi quando la luce le colpisce. In grado di operare in modo ordinario, ambienti a temperatura ambiente, sfruttando alcuni dei principi più profondi della fisica quantistica, questi sistemi optomeccanici possono agire come termometri intrinsecamente accurati, o viceversa, come un tipo di schermo ottico che devia il calore. La ricerca è stata condotta da un team guidato dal Joint Quantum Institute (JQI), una collaborazione di ricerca del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Maryland.

Descritto in un paio di nuovi documenti in Scienza e Lettere di revisione fisica , le potenziali applicazioni includono sensori di temperatura basati su chip per l'elettronica e la biologia che non avrebbero mai bisogno di essere regolati poiché si basano su costanti fondamentali della natura; piccoli frigoriferi in grado di raffreddare componenti di microscopi all'avanguardia per immagini di qualità superiore; e "metamateriali" migliorati che potrebbero consentire ai ricercatori di manipolare la luce e il suono in modi nuovi.

In nitruro di silicio, un materiale ampiamente utilizzato nell'industria elettronica e fotonica, i fasci sono lunghi circa 20 micron (20 milionesimi di metro). sono trasparenti, con una fila di fori praticati attraverso di loro per migliorare le loro proprietà ottiche e meccaniche.

"Puoi inviare luce lungo questo raggio perché è un materiale trasparente. Puoi anche inviare onde sonore lungo il raggio, " ha spiegato Tom Purdy, un fisico del NIST che è autore di entrambi gli articoli. I ricercatori ritengono che i raggi potrebbero portare a termometri migliori, che sono ormai onnipresenti nei nostri dispositivi, compresi i cellulari.

"Essenzialmente portiamo sempre con noi un mucchio di termometri, " ha detto il collega JQI Jake Taylor, autore senior dei nuovi articoli. "Alcuni forniscono letture della temperatura, e altri ti fanno sapere se il tuo chip è troppo caldo o se la tua batteria è troppo fredda. I termometri svolgono anche un ruolo cruciale nei sistemi di trasporto:aeroplani, automobili e ti dico se l'olio motore si sta surriscaldando."

Ma il problema è che questi termometri non sono precisi dallo scaffale. Devono essere calibrati, o regolato, a qualche standard. Il design del fascio di nitruro di silicio evita questa situazione basandosi sulla fisica fondamentale. Per usare il raggio come termometro, i ricercatori devono essere in grado di misurare le vibrazioni più minime possibili nel raggio. La quantità di vibrazione del raggio è proporzionale alla temperatura dell'ambiente circostante.

Le vibrazioni possono provenire da due tipi di fonti. Le prime sono le normali sorgenti "termiche" come le molecole di gas che colpiscono il raggio o le onde sonore che lo attraversano. La seconda fonte di vibrazione proviene puramente dal mondo della meccanica quantistica, la teoria che governa il comportamento della materia su scala atomica. Il comportamento quantistico si verifica quando i ricercatori inviano particelle di luce, o fotoni, giù il raggio. Colpito dalla luce, il raggio meccanico riflette i fotoni, e si ritrae nel processo, creando piccole vibrazioni nel raggio. A volte questi effetti basati sulla quantistica sono descritti usando la relazione di incertezza di Heisenberg:il rimbalzo del fotone porta a informazioni sulla posizione del raggio, ma poiché impartisce vibrazioni al raggio, aggiunge incertezza alla velocità del raggio.

"Le fluttuazioni della meccanica quantistica ci danno un punto di riferimento perché essenzialmente, non puoi far muovere il sistema meno di così, " ha detto Taylor. Inserendo i valori della costante di Boltzmann e della costante di Planck, i ricercatori possono calcolare la temperatura. E dato quel punto di riferimento, quando i ricercatori misurano più movimento nel raggio, come da sorgenti termali, possono estrapolare con precisione la temperatura dell'ambiente.

Però, le fluttuazioni quantistiche sono un milione di volte più deboli delle vibrazioni termiche; rilevarli è come sentire uno spillo cadere nel mezzo di una doccia.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un fascio di nitruro di silicio all'avanguardia costruito da Karen Grutter e Kartik Srinivasan presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST. Illuminando il raggio di fotoni di alta qualità e analizzando i fotoni emessi dal raggio poco dopo, "vediamo una piccola parte del movimento vibrazionale quantistico raccolto nell'emissione di luce, " ha spiegato Purdy. Il loro approccio di misurazione è abbastanza sensibile da vedere per la prima volta questi effetti quantistici fino alla temperatura ambiente, ed è pubblicato nel numero di questa settimana di Scienza .

Sebbene i termometri sperimentali siano in una fase di proof-of-concept, i ricercatori prevedono che potrebbero essere particolarmente preziosi nei dispositivi elettronici, come termometri on-chip che non necessitano mai di calibrazione, e in biologia.

"Processi biologici, generalmente, sono molto sensibili alla temperatura, come sa chi ha un figlio malato. La differenza tra 37 e 39 gradi Celsius è piuttosto grande, " ha detto Taylor. Prevede applicazioni in biotecnologia, quando si desidera misurare le variazioni di temperatura nella "quantità più piccola possibile di prodotto, " Egli ha detto.

I ricercatori vanno nella direzione opposta in una seconda applicazione proposta per le travi, descritto in un articolo teorico pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Invece di lasciare che il calore colpisca il raggio e gli permetta di fungere da sonda di temperatura, i ricercatori propongono di utilizzare il raggio per deviare il calore da, Per esempio, una parte sensibile di un dispositivo elettromeccanico.

Nella loro configurazione proposta, i ricercatori racchiudono il fascio in una cavità, un paio di specchi che rimbalzano la luce avanti e indietro. Usano la luce per controllare le vibrazioni del raggio in modo che il raggio non possa ri-irradiare il calore in entrata nella sua direzione abituale, verso un oggetto più freddo.

Per questa applicazione, Taylor paragona il comportamento del raggio a un diapason. Quando tieni un diapason e lo colpisci, irradia toni sonori puri invece di permettere a quel movimento di trasformarsi in calore, che viaggia lungo la forchetta e nella tua mano.

"Un diapason suona a lungo, anche in aria, " disse. I due rebbi della forcella vibrano in direzioni opposte, Lui ha spiegato, e annulla un modo in cui l'energia lasci il fondo della forchetta attraverso la tua mano.

I ricercatori immaginano persino di utilizzare un raggio di nitruro di silicio controllato otticamente come punta di un microscopio a forza atomica (AFM), che rileva le forze sulle superfici per creare immagini in scala atomica. Una punta AFM controllata otticamente rimarrebbe fresca e funzionerebbe meglio. "Stai rimuovendo il movimento termico, che rende più facile vedere i segnali, " ha spiegato Taylor.

Questa tecnica potrebbe anche essere utilizzata per realizzare metamateriali migliori, oggetti compositi complessi che manipolano la luce o il suono in modi nuovi e potrebbero essere utilizzati per realizzare lenti migliori o anche i cosiddetti "mantelli dell'invisibilità" che fanno sì che determinate lunghezze d'onda della luce passino attraverso un oggetto anziché rimbalzare su di esso.

"I metamateriali sono la nostra risposta a, 'Come realizziamo materiali che catturano le migliori proprietà per la luce e il suono, o per il calore e il movimento?'", ha detto Taylor. "È una tecnica che è stata ampiamente utilizzata in ingegneria, ma combinare la luce e il suono insieme rimane ancora un po' aperto su fino a che punto possiamo andare con esso, e questo fornisce un nuovo strumento per esplorare quello spazio".