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高灵敏扭矩测量装置问世 可探测真空中的量子摩擦


  来源: 传感器专家网 时间:2020-01-19 编辑:清风
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据外媒报道,普渡大学的一个物理学家团队制造了有史以来最灵敏的扭矩测量装置。在发表于《自然纳米技术》杂志上的论文中,该团队描述了他们的新设备并概述了其使用方法。 a,用一个数值孔径为0.85的物镜(OBJ)紧密聚焦的500-mW、1550-nm激光在真空中悬浮二氧化硅纳米颗粒(NP)。插图:二氧化硅纳米球(左)和二氧化硅纳米哑铃(右)的扫描电子显微镜图像。两个图像的比例尺均为200 nm。b,旋光性纳米粒子在10 -4处旋转的测量PSD 托尔 PSD峰的频率是纳米粒子旋转频率的两倍。c,记录了100 s的光悬浮纳米粒子的旋转PSD的频谱图(时间轨迹)。

扭矩是一种经常导致旋转的扭转力,用于测量系统扭矩的设备具有多种形式和多种尺寸。近年来,科学家们一直在研究缩小扭矩传感器尺寸的方法,目的是方便测量非常小的扭矩。当前,已经有研究人员开发出使用纳米制造和低温冷却的微型设备来研究诸如卡西米尔效应和小规模磁性的研究。在此项新工作之前,最灵敏的扭矩传感器在毫开尔文温度下的灵敏度为2.9 × 10−24 N m Hz−1/2,普渡大学的团队为自己设定了打破这一纪录的目标。

新扭矩测量装置由一个通过500 mW、1550 nm的激光束悬浮在真空室内的二氧化硅纳米颗粒组成。研究小组通过向纳米颗粒发射一束脉动的圆极化1020nm激光束,每次持续100秒,从而向纳米颗粒施加了扭矩。研究人员使用四分之一波片来控制偏振,电磁束中的旋转波对纳米颗粒施加了扭曲作用,使其以3000亿转/分的速度旋转,这是迄今为止制造出的最快的人造转子。研究小组通过使用光学传感器测量粒子在开关周期中的自旋速度变化,从而能够测量装置中的扭矩量。研究人员指出,与其他正在开发的系统不同,他们的系统不需要复杂的纳米制造。

使用该扭矩测量装置,研究人员能够测量到扭矩牛顿计的四分之三的扭矩,使其灵敏度是以前的扭矩传感器的700倍。他们声称,他们的装置将是第一个测量真空摩擦的装置,其中量子力学表明,在真空中旋转的物体会受到不断出现和消失的电磁场的拖累而受到阻力。该团队还声称,该扭矩测量装置可用于纳米磁性研究和量子几何相位的研究。( 作者:Angel )


科学家创造出了史上最灵敏的扭矩传感器,以探测真空中的量子摩擦

为了探测真空中的量子摩擦,科学家们正在进行自旋实验。


一个旋转的纳米颗粒悬浮在真空中的激光束中,可以测量微小的扭转力,使其成为迄今为止最灵敏的扭矩检测器。


研究人员表示,该设备有一天可能探测到一种名为真空摩擦的难以捉摸的量子效应。


悬浮的纳米颗粒每分钟可以旋转超过3000亿次。


“这是世界上最快的人造转子,”印第安纳州普渡大学的物理学家Tongcang Li说。


为了用该设备测量扭矩,Li和同事们用第二束激光照射纳米颗粒,并按一定的间隔打开和关闭。


激光是圆偏振的,这意味着光的电磁波会随着时间的推移而旋转,这种扭曲会给纳米颗粒施加一个扭矩。


研究人员通过测量当第二束激光打开和关闭时粒子速度的变化来估计转矩的大小。


当运行100秒时,传感器可以测量到大约0.4万亿分之一牛顿米的扭矩。相比之下,扭开一个汽水瓶的瓶盖大约需要1牛顿米的扭矩。


研究人员1月13日在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上报告说,这种装置的灵敏度大约是以前最好的扭矩传感器的700倍。


该设备非常敏感,可以用来观察真空摩擦的微小影响,这是一种违反直觉的量子效应,即一个物体在真空中快速旋转时会感到阻力——尽管它被虚无包围。


根据量子力学的理论,这种从未见过的效应是由旋转的物体与电磁场的相互作用产生的,电磁场不断地出现和消失,即使在真空中也是如此。


关键词:扭矩传感器 测量装置 量子    浏览量:374

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