Beter knijpen

Het onderzoek is verschenen in Physical Review X.

In het experiment van de Nanomechanics-groep van Eva Weig worden de thermische fluctuaties van een vibrerende nanomechanische snaarresonator geknepen. Nanomechanische systemen zijn veelbelovende kandidaten voor uiterst nauwkeurige meetinstrumenten. Hun gevoeligheid is echter van nature beperkt tot kamertemperatuur. Warmte-energie veroorzaakt een thermische ruis, een trilling van de snaar die de meetnauwkeurigheid beperkt. Deze ongecontroleerde trilling is gebaseerd op de thermodynamische equipartitie-stelling, een fundamenteel principe van de klassieke fysica. Dienovereenkomstig moet de ruis in elke richting van de zogenaamde faseruimte even groot zijn, dat wil zeggen: een cirkelvormige verdeling vormen. Weig en haar promovendus Jana Huber voegden een sterke drive toe om de snaar hard te raken. Als hij ver genoeg wordt gebogen, gedraagt hij zich namelijk niet meer lineair. De kracht die hem afbuigt is dan niet langer evenredig is met de kracht die hem terugtrekt. Dit verandert de thermische schommelingen als gevolg van een schending van de symmetrie van de tijdomkering. In fase-ruimte zien ze er niet langer uit als een cirkel, maar als een ellips: tenminste in één richting wordt de diameter, dat wil zeggen de ruis, aanzienlijk kleiner – hij wordt geknepen. "Het was vooraf theoretisch bekend dat dit zou moeten gebeuren, maar het is nog nooit zo duidelijk gemeten, omdat het een relatief subtiel effect is", aldus Weig. De methode om de samengedrukte toestand direct in faseruimte in kaart te brengen, werkt echter niet altijd. Dit geldt ook voor de bestudeerde nanostring. Terwijl een conventionele gitaarsnaar, eenmaal aangeslagen, slechts een paar honderd keer trilt voordat hij weer tot stilstand komt, trilt een nanostring 300.000 keer. Deze hoge ‘mechanische kwaliteit’ maakt de snaar erg gevoelig voor storingen, zoals minimale temperatuurschommelingen. Het meten van een samengedrukte toestand als ellips in faseruimte is daardoor niet mogelijk. Huber streeft daarom een ander concept na. De ruis wordt niet in de gehele faseruimte onderzocht, maar alleen spectraal opgelost, dus volgens de daarin voorkomende frequenties. Naast de aandrijffrequentie toont het spectrum nog twee andere frequentiecomponenten, een aan de linkerkant en een aan de rechterkant van de aandrijving, die zijn toegewezen aan de thermische ruis. Theoretisch natuurkundigen Gianluca Rastelli en Wolfgang Belzig van de Universiteit van Konstanz en Mark Dykman van de Michigan State University (VS), die ook bij het werk betrokken zijn, hadden precies dit voorkomen van verdere frequenties voorspeld. Wieg: "Maar niemand had het ooit zo mooi gezien. Dit heeft te maken met het feit dat onze mechanische kwaliteit zo hoog is dat we deze met een kristalheldere oplossing hebben kunnen oplossen." "Radicaal eenvoudig" noemen Weig en Dykman de methode die het mogelijk maakt om metingen uit te voeren, niet alleen in mechanische systemen zoals hier, maar in een groot aantal systemen – mits van hoge kwaliteit en voorzien van een sterke drive . "Er zijn zelfs koppelingen met kwantummechanische systemen."