EO

Beter knijpen

25 juni 2020 om 13:18 uur

'Satellieten' in het spectrum van een vibrerende nanostring (onderste deel afbeelding) om het aandrijfvermogen te vergroten. De verschillende helderheden van de bovenste (groene) en onderste (blauwe) satelliet coderen de knijpkracht (bovenste deel afbeelding).

‘Knijpen’ wordt in de natuurkunde gebruikt om de resolutie van meetinstrumenten te verbeteren. Hiermee kan storende ruis worden onderdrukt, zodat kleinere signalen preciezer kunnen worden gedetecteerd. Aan de universiteit van Konstanz is nu aangetoond hoe een geknepen toestand veel eenvoudiger kan worden gemeten dan met de bestaande methoden. Bovendien maakt de nieuwe methode het mogelijk om de toestanden te onderzoeken in systemen waar dergelijke metingen voorheen niet mogelijk waren.


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."

 

 

Gerelateerd nieuws

HBK monitort 3D-geprinte metalen voetgangersbrug in Amsterdam

3D-geprinte metalen voetgangersbrug in Amsterdam: van top tot teen gemonitord

Hottinger Brüel & Kjær (HBK) heeft rekstroken en data-acquisitie-apparatuur geleverd voor de monitoring van de metalen 3D-geprinte voetgangersbrug, die onlangs over de Oudezijds Achterburgwal in Amsterdam is…

Apparaat oogst energie uit je zweterige vingertoppen terwijl je stilzit - of (in de zon) ligt

Apparaat oogst energie uit je zweterige vingertoppen terwijl je stilzit - of (in de zon) ligt

Zweterigheid heeft vanaf nu een voordeel. Er is namelijk een apparaat ontwikkeld dat energie uit het zweet op je vingertoppen haalt. Tot op heden is het de meest efficiënte ‘on-body energy harvester’ die ooit is…

Lekker meten met je smartphone

Alles meten met je smartphone

Een spectrometer van één gram (en één euro) moet het binnenkort mogelijk maken om met een smartphone snel en gemakkelijk allerlei metingen uit te voeren, zoals aan de luchtkwaliteit, watermonsters en medicijnen.Het…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

17 augustus 2021

Future of CAD and PDM

Dit webinar zal ingaan op de toekomst van CAD en PDM met behulp van Onshape.

8 september 2021

Webinar Open OT-architecturen

De vierde industriële revolutie verwacht dat computerapplicaties van productiebedrijven zich kunnen...

8 september 2021, Brussel

Machineering

Maak- en engineeringtechnologie in levende lijve en met fysieke interactie ontdekken.

Meer agendapunten »