Impressione artistica:minuscole vibrazioni di stringhe su nanoscala vengono convertite in segnali luminosi. Considerando che questo di solito produce una modulazione "pulita" (mostrata in rosso), l'interazione estremamente forte tra movimento e luce produce segnali luminosi distorti come il suono di una chitarra rock stravolta (mostrata in blu). Credito:HJ Boluijt
I ricercatori di AMOLF hanno sviluppato stringhe su nanoscala il cui movimento può essere convertito in segnali luminosi con una forza senza precedenti. Ciò potrebbe consentire sensori estremamente precisi e comporta un importante effetto collaterale. "Analogo a un amplificatore per chitarra in overdrive che produce onde sonore distorte, la nostra forte conversione da movimento a luce porta a segnali luminosi distorti, ", afferma il leader del gruppo Ewold Verhagen. "Ma questi segnali in realtà trasportano informazioni sul movimento che possono portare a nuovi modi di misurare il movimento quantomeccanico". I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 7 luglio 2017 in Comunicazioni sulla natura .
Quando un chitarrista alza il volume dell'amplificatore ai massimi livelli di guadagno, le vibrazioni armoniche "pulite" delle corde della chitarra vengono convertite in onde sonore distorte. Questo suono "sporco" è spesso desiderabile:l'urlo degli amplificatori per chitarra sovraccaricati ha definito il suono della musica rock per decenni.
Luce strettamente confinata
Il gruppo Photonic Forces di AMOLF studia l'interazione del movimento e della luce utilizzando corde di silicio su nanoscala che vibrano come le corde di una chitarra milioni di volte al secondo. I ricercatori usano la luce per misurare queste vibrazioni con estrema precisione. Il dottorando Rick Leijssen e i suoi colleghi hanno sviluppato stringhe con una forma particolare per spremere la luce tra le stringhe su una scala di decine di nanometri. "Il confinamento stretto fa sì che il movimento meccanico venga convertito in segnali luminosi con una forza senza precedenti. Questo è un grande passo avanti verso la creazione di sensori di movimento con estrema precisione, " Dice Leijssen. "Tali sensori potrebbero rilevare le vibrazioni delle corde con ampiezze piccole quanto le dimensioni di un protone e potrebbero essere utilizzati per misurare piccole forze e masse".
(in alto) Immagine al microscopio elettronico delle nanostringhe di silicio a forma di cristallo fotonico a fette. La loro vibrazione (media, movimento esagerato) colpisce fortemente la luce che è intrappolata tra i “denti” delle corde (in basso). Attestazione:AMOLF
Segnali distorti
La forte conversione del movimento in luce nelle corde di silicio ha un effetto collaterale:la conversione è così forte che anche per le minuscole fluttuazioni intrinseche delle corde, la luce è 'overdrive, ' analogo a quanto accade negli amplificatori per chitarra rock. Verhagen dice, "Simile al suono urlante di un amplificatore sovraccaricato, i segnali luminosi nel nostro esperimento contengono molte armoniche più alte ('sovratoni') della risonanza della corda fondamentale. Questo perché la conversione tra movimento e luce non è più lineare".
Rivelare il comportamento della meccanica quantistica
In un modo, questa conversione non lineare costituisce un limite pratico alla sensibilità al movimento. Però, i segnali luminosi distorti potrebbero essere riutilizzati. Un motivo importante per cui i fisici AMOLF studiano le minuscole vibrazioni delle stringhe è quello di rivelare se oggetti come le stringhe si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica. Il ricercatore post-dottorato Juha Muhonen afferma:"Le armoniche superiori dei segnali luminosi prodotti trasportano diversi tipi di informazioni sul movimento delle nanostringhe. Ad esempio, abbiamo dimostrato che consentono di misurare l'energia della vibrazione con un'elevata precisione. Ciò potrebbe potenzialmente portare a osservazioni dirette dell'energia quantizzata nella stringa, come ci aspetteremmo dalla teoria della meccanica quantistica."
