每秒振动10万次:超振动纳米弦的振动时间比任何固态材料都要长

知新了了 2024-05-23 08:19:48

“想象一下,一个秋千一旦被推动,就会持续摆动近100年,因为它几乎没有通过绳子损失任何能量。”代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的一名研究人员说,他已经帮助他的团队在纳米尺度上完成了一项类似的壮举。

在制造超振动纳米弦的过程中,诺尔特和他的代尔夫特理工大学的同事们,以及布朗大学的科学家们,将一股极具弹性的氮化硅(Si3N4)拉伸到3厘米长,同时保持其厚度仅为70纳米。研究人员在《自然通讯》上发表的一篇论文中写道,这“相当于可靠地生产出厚度为1毫米的陶瓷结构,悬浮在近半公里的高空。”

同样来自代尔夫特理工大学的研究合著者安德里亚·库比蒂诺说:“我们的制造过程与当今纳米技术的可能方向不同。”

她补充说:“这种极端的结构只有在纳米尺度上才可行,因为重力和重量的影响是不同的。这种结构在我们的日常尺度上是不可实现的,但在用于测量物理量(如压力、温度、加速度和磁场)的微型设备中特别有用,我们称之为MEMS传感。”

一旦纳米线被制造出来,它们就被夹在微芯片上。然后,这些弦被证明能够在环境温度下每秒振动10万次而不会失去太多动量。这样的壮举以前只在接近绝对零度的材料中表现出来。

代尔夫特大学的报告称:“新开发的纳米线拥有在室温环境中夹紧物体的最高机械质量系数;在它们的情况下,夹紧在微芯片上。”

诺尔特补充说,纳米弦令人难以置信的振动能力是由于它们的结构和组成,这使得能量很难泄漏,也很难被环境噪音进入。

他说:“这项创新对于研究室温下的宏观量子现象至关重要 —— 在这种环境下,这种现象以前被噪音掩盖了。虽然量子力学的奇怪定律通常只在单个原子中出现,但纳米弦将自己与我们日常的基于热的振动噪声隔离开来的能力,使它们能够打开一扇窗户,了解自己的量子特征;由数十亿个原子组成的弦。在日常环境中,这种能力将对基于量子的传感有有趣的用途。”

研究人员说,他们的发现可能会导致下一代麦克风和其他纳米级声学设备,或者可以用来制造先进的导航加速度计。高纵横比机械谐振器,也被称为纳米线,也经常用于精密传感设备,如宏观波探测器。

在他们的论文中,科学家们还指出,与他们创造的纳米弦具有相同性质的纳米弦,可以帮助研究暗物质,研究熵和时间,以及理解被称为卡西米尔效应的量子现象。

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