“擠壓”在物理學中的用途之一是提高測量儀器的分辨率，它允許以能夠更靈敏地檢測較小信號的方式抑制干擾噪聲。

由康斯坦茨大學物理學家伊娃·韋格教授領導的團隊，現(xiàn)在已經(jīng)能夠展示如何用比現(xiàn)有方法簡單得多的方法來測量這種壓縮態(tài)。此外，新方法允許在以前不可能進行這種測量的系統(tǒng)中檢查壓縮態(tài)，其研究成果發(fā)表在《物理評論X》期刊上。

在納米力學小組的實驗中，對振動納米機械弦諧振器的熱漲落進行了壓縮。納米弦可以被認為是一根很小的吉他弦，比人的頭發(fā)細一千倍，短一千倍。納米機械系統(tǒng)，如正在研究的納米線，是高精度測量儀器很有前景的候選者。然而，它們在室溫下的靈敏度有限。熱能會引起熱噪聲，即弦的抖動，從而限制了測量精度。系統(tǒng)在室溫下這種不受控制的振動，是建立在熱力學均分定理的基礎上，熱力學均分定理是經(jīng)典物理的基本原理。

因此，熱噪聲在所謂相空間的每個方向上必須相等大，即形成圓形分布。研究人員在這種熱噪音的基礎上增加了一個強大驅(qū)動力，就這樣，繩子被狠狠地敲打了一下。如果弦偏轉(zhuǎn)得足夠遠，它將停止線性行為。這意味著使弦偏轉(zhuǎn)的力，不再與將其拉回其原始位置的力成正比。由于違反了時間反轉(zhuǎn)對稱性，強驅(qū)動改變了熱漲落。在相空間中，它們不再看起來像一個圓，而是一個橢圓：至少在一個方向上，它的直徑，即噪音，變得明顯地小了-它被擠壓了。

幾百次和30萬次

理論上事先就知道這是必須發(fā)生的，但從來沒有如此清晰地測量過，因為這是一個相對微妙的效應。然而，將壓縮態(tài)直接映射到相空間的方法并不總是有效。這也適用于康斯坦茨研究人員研究的納米線。傳統(tǒng)的吉他弦一旦被撥動，只來回擺動幾百次就會再次安靜下來，而納米弦的振動超過30萬次。然而，這種高的“機械質(zhì)量”也使管柱對干擾非常敏感，例如最小的溫度波動。在這些系統(tǒng)中，將壓縮態(tài)測量為相空間中的橢圓是不可能的。

因此，研究人員測量中追求的是一個不同的概念，不在整個相空間中檢查噪聲，而是僅根據(jù)其中出現(xiàn)的頻率進行頻譜解析。除驅(qū)動器頻率外，頻譜還顯示另外兩個頻率分量，一個在驅(qū)動器的左側(cè)，一個在驅(qū)動器的右側(cè)，它們被指定為熱噪聲?？邓固勾拇髮W的理論物理學家Gianluca Rastelli博士和Wolfgang Belzig教授以及密歇根州立大學Mark Dykman教授也參與了這項研究，準確地預測了這種更多頻率的發(fā)生。

以前從來沒有人看到過如此美麗的景象，這與研究團隊所用的機械質(zhì)量如此之高，以至于能夠以水晶般的清晰度來解決它有關。因此，這也是第一次可以看到這兩個信號的高度不同。在與Gianluca Rastelli的密切合作下，Huber能夠證明這兩者之間的強度差異（面積的比率）是壓縮參數(shù)的直接測量，即噪音被壓縮的程度。物理學家魏格和戴克曼形容這種方法“根本上很簡單”，這種方法不僅可以在像這里這樣的機械系統(tǒng)中進行擠壓測量，而且可以在廣泛的系統(tǒng)中進行擠壓測量。

關鍵是它們具有高質(zhì)量和強大的驅(qū)動力，甚至還有與量子力學系統(tǒng)的聯(lián)系。此外，正如Eva Weig和Wolfgang Belzig一致強調(diào)的那樣：實驗和理論之間有一種迷人的一致性。測量數(shù)據(jù)精確地符合康斯坦茨大學和密歇根州立大學理論物理同事開發(fā)的模型。

博科園｜研究/來自：康斯坦茨大學

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021066

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