量子温度计还是光学制冷机？
在光学和力学的包办婚姻中，物理学家创造了微观结构光束，当光线照射到它们时，它们具有各种强大的用途。能够在普通的室温环境，而开发的一些量子物理的最深的原则，这些子系统可以作为本质的准确的温度计，或相反的，作为一种新型的光盾，将热。这项研究是由一个团队进行联合量子研究所（JOI），美国国家标准与技术研究所（NIST）和马里兰大学的合作。
艺术家的量子温度计，一个微米级的机械装置，可以提供高准确度的温度。信用：Emily Edwards /联合量子研究所
在一对新的科学论文描述了（链接外部）和物理评论快报（链接外部），潜在的应用包括电子和生物不需要因为他们依靠自然基本常数调整基于芯片的温度传感器；小冰箱，可以冷静的国家的最先进的显微镜元件更高质量的图像“超材料”；和改进，可以让研究者以新的方式操纵光和声音。
氮化硅制成的，在电子和光电子行业广泛应用的一种材料，梁是约20微米（20微米）的长度。它们是透明的，在其上钻一排孔，以增强它们的光学和机械性能。
你可以把光束照下来，因为它是透明材料。您还可以发送声波下梁，”Tom Purdy解释说，NIST物理学家对论文的作者。研究人员相信这种光束可以产生更好的温度计，这种温度计现在在我们的设备中无处不在，包括手机。
“基本上我们所有的时间带着一堆温度计周围，说：”联合量子研究所研究员泰勒，该论文的资深作者。有些提供温度读数，还有一些让你知道你的芯片太热或电池太冷。温度计在运输系统、飞机、汽车上也起着至关重要的作用，并告诉你机油是否过热。
但问题是这些温度计在架子上是不准确的。他们需要校准或调整到某种标准。氮化硅梁的设计依赖于基本物理，避免了这种情况。使用光束作为温度计，研究人员必须能够测量光束中最小的可能振动。光束振动的量与其周围环境的温度成正比。
在顶部是氮化硅梁的电子显微照片，它可以作为通过其微小的振动测量的高精度量子温度计”。 ；底部显示了梁的变形振动（尺度大大夸大了）显示最变形的红色区域和蓝色区域，在所有不动。信用：Purdy et al.，NIST / JOI
振动可以来自两种来源。第一个是普通的“热”源，例如气体分子，抖开光束或声波通过它。第二种振动源纯粹来自量子力学的世界，这个理论支配着原子尺度上物质的行为。当研究人员把光或光子发射到光束上时，量子行为就发生了。
被光照，机械臂将光子反射，并在这一过程中，创造了小梁的振动。有时这些量子效应用海森堡不确定关系来描述：光子反弹导致了光束位置的信息，但由于它给光束带来振动，从而增加了光束速度的不确定性。
泰勒说：“量子力学的涨落给我们提供了一个参考点，因为基本上，你不能使系统的运动量小于这一点。”。通过插入玻尔兹曼常数和普朗克常数的值，研究人员可以计算温度。在给定参考点的情况下，当研究人员测量光束中更多的运动时，例如从热源，他们可以准确地推断环境的温度。
然而，量子涨落比热振动弱一百万倍；检测它们就像听到针掉在洗澡。
在他们的实验中，研究人员使用最先进的氮化硅束在纳米科学与技术中心的Karen Grutter和Kartik Srinivasan建立了NIST的。通过明亮的高质量的光子在梁从梁不久发射光子，“我们看到一点点的量子振动运动拿起在光的输出，”珀迪说。他们的测量方法足够敏感，第一次看到这些量子效应一直到室温，并在本周的《科学》杂志上发表。
尽管实验温度计是在概念验证阶段，研究人员认为它们在电子设备中特别有价值，比如片上温度计，不需要校准，在生物学上也可以。
一般来说，生物过程对温度非常敏感，就像任何一个生病的孩子都知道的那样。37摄氏度和39摄氏度之间的差别是相当大的，”泰勒说。他预测生物技术的应用程序，当你想测量温度变化在“尽可能少的产品数量，”他说。
研究人员建议使用光束将热量从例如机电设备的敏感部分转移出去，而不是让热量击中光束并使其用作温度探头。
在他们提出的装置中，研究人员把光束装在一个空腔里，一对反射光线来回反射的镜子。他们用光来控制光束的振动，这样光束就不能在通常的方向上重新向周围的物体发出热量。
示意图（上）和模拟（底部）的机械装置，利用光学冷却。光穿过一系列孔，有机会反射到它的源头，这取决于机械系统的两个臂的运动。激光冷却可在手臂的移动方向相反的运动，从而提高了对称运动模式的性能（手臂同步）。这种对称的模式，反过来，由小尖端与附近的表面的相互作用进行修改，使光学检测的表面性质在一个标准的原子力显微镜装置。信用：：徐等人，NIST和马里兰大学
对于这种应用，泰勒把梁的行为一个音叉。当你拿着音叉敲击它时，它会发出纯净的声音，而不是让这个运动变成热，它会从叉子上移动到你的手里。
他说：“即使在空气中，音叉也会响很长时间。”。两叉叉的振动方向相反，他解释道，并取消了能量通过你的手离开叉底部的方法。
研究人员甚至设想使用光控氮化硅光束作为原子力显微镜（AFM）的尖端，它可以检测表面上的力来建立原子尺度的图像。光控原子力显微镜针尖保持凉爽，表现更好。泰勒解释说：“你正在消除热运动，这使得看信号更容易。”。
这种技术也可以使用更好的材料，复杂的复合物，操纵光或声音的新途径，可以用来更好的镜头，甚至是所谓的“隐形斗篷”，使特定波长的光传递对象而不是从它的跳动。
“超材料是我们对这个问题的答案，”我们如何制造材料捕捉光和声音，或热和运动的最佳性能？泰勒说。“这是一种广泛应用于工程中的技术，但将光和声音结合在一起仍有点开放，我们可以走多远，这就为探索太空提供了一种新的工具。”