En un matrimonio concertado de óptica y mecánica, Los físicos han creado haces estructurales microscópicos que tienen una variedad de usos poderosos cuando la luz los golpea. Capaz de operar en condiciones normales, ambientes a temperatura ambiente, aún explotando algunos de los principios más profundos de la física cuántica, Estos sistemas optomecánicos pueden actuar como termómetros intrínsecamente precisos, o al revés, como un tipo de escudo óptico que desvía el calor. La investigación fue realizada por un equipo dirigido por el Joint Quantum Institute (JQI), una colaboración de investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Maryland.

Descrito en un par de nuevos artículos en Ciencias y Cartas de revisión física , las aplicaciones potenciales incluyen sensores de temperatura basados ​​en chips para electrónica y biología que nunca necesitarían ser ajustados ya que se basan en constantes fundamentales de la naturaleza; pequeños refrigeradores que pueden enfriar componentes de microscopios de última generación para obtener imágenes de mayor calidad; y "metamateriales" mejorados que podrían permitir a los investigadores manipular la luz y el sonido de nuevas formas.

Hecho de nitruro de silicio, un material ampliamente utilizado en las industrias de la electrónica y la fotónica, los haces miden aproximadamente 20 micrones (20 millonésimas de metro) de longitud. Son transparentes, con una fila de agujeros perforados a través de ellos para mejorar sus propiedades ópticas y mecánicas.

"Puede enviar luz por este rayo porque es un material transparente. También puede enviar ondas de sonido por el rayo, "explicó Tom Purdy, un físico del NIST que es autor de ambos artículos. Los investigadores creen que los rayos podrían conducir a mejores termómetros, que ahora son omnipresentes en nuestros dispositivos, incluidos los teléfonos móviles.

"Básicamente, llevamos un montón de termómetros con nosotros todo el tiempo, "dijo el miembro de JQI Jake Taylor, autor principal de los nuevos artículos. "Algunos proporcionan lecturas de temperatura, y otros le avisan si su chip está demasiado caliente o si su batería está demasiado fría. Los termómetros también juegan un papel crucial en los sistemas de transporte:aviones, automóviles y le dirá si el aceite de su motor se está sobrecalentando ".

Pero el problema es que estos termómetros no son precisos listos para usar. Necesitan ser calibrados o ajustado, a algún estándar. El diseño del haz de nitruro de silicio evita esta situación basándose en la física fundamental. Para usar la viga como termómetro, los investigadores deben poder medir las vibraciones más mínimas posibles en el rayo. La cantidad de vibraciones del rayo es proporcional a la temperatura de su entorno.

Las vibraciones pueden provenir de dos tipos de fuentes. Las primeras son fuentes "térmicas" ordinarias, como las moléculas de gas que golpean el haz o las ondas sonoras que lo atraviesan. La segunda fuente de vibración proviene puramente del mundo de la mecánica cuántica, la teoría que gobierna el comportamiento de la materia a escala atómica. El comportamiento cuántico ocurre cuando los investigadores envían partículas de luz, o fotones, por la viga. Golpeado por la luz el rayo mecánico refleja los fotones, y retrocede en el proceso, creando pequeñas vibraciones en el haz. A veces, estos efectos cuánticos se describen utilizando la relación de incertidumbre de Heisenberg:el rebote del fotón conduce a información sobre la posición del haz, pero debido a que imparte vibraciones a la viga, agrega incertidumbre a la velocidad del rayo.

"Las fluctuaciones de la mecánica cuántica nos dan un punto de referencia porque, esencialmente, no puedes hacer que el sistema se mueva menos que eso, Taylor dijo. Al introducir los valores de la constante de Boltzmann y la constante de Planck, los investigadores pueden calcular la temperatura. Y dado ese punto de referencia, cuando los investigadores miden más movimiento en el haz, como de fuentes térmicas, pueden extrapolar con precisión la temperatura del medio ambiente.

Sin embargo, las fluctuaciones cuánticas son un millón de veces más débiles que las vibraciones térmicas; detectarlos es como oír caer un alfiler en medio de una ducha.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron un haz de nitruro de silicio de última generación construido por Karen Grutter y Kartik Srinivasan en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST. Al hacer brillar fotones de alta calidad en el haz y analizar los fotones emitidos por el haz poco después, "Vemos un poco del movimiento vibratorio cuántico captado en la salida de luz, Purdy explicó. Su enfoque de medición es lo suficientemente sensible como para ver estos efectos cuánticos hasta la temperatura ambiente por primera vez, y se publica en la edición de esta semana de Ciencias .

Aunque los termómetros experimentales se encuentran en una fase de prueba de concepto, los investigadores imaginan que podrían ser particularmente valiosos en dispositivos electrónicos, como termómetros en chip que nunca necesitan calibración, y en biología.

"Procesos biológicos, en general, son muy sensibles a la temperatura, como sabe todo el que tiene un hijo enfermo. La diferencia entre 37 y 39 grados Celsius es bastante grande, "Taylor dijo. Él prevé aplicaciones en biotecnología, cuando desee medir cambios de temperatura en "la menor cantidad de producto posible, " él dijo.

Los investigadores van en la dirección opuesta en una segunda aplicación propuesta para las vigas, descrito en un artículo teórico publicado en Cartas de revisión física .

En lugar de dejar que el calor golpee el rayo y permita que sirva como sonda de temperatura, los investigadores proponen usar el rayo para desviar el calor de, por ejemplo, una parte sensible de un dispositivo electromecánico.

En su configuración propuesta, los investigadores encierran el rayo en una cavidad, un par de espejos que hacen rebotar la luz de un lado a otro. Usan luz para controlar las vibraciones del rayo de modo que el rayo no pueda volver a irradiar el calor entrante en su dirección habitual. hacia un objeto más frío.

Para esta aplicación, Taylor compara el comportamiento de la viga con un diapasón. Cuando sostienes un diapasón y lo golpeas, irradia tonos de sonido puros en lugar de permitir que ese movimiento se convierta en calor, que baja por el tenedor y llega a tu mano.

"Un diapasón suena durante mucho tiempo, incluso en el aire, ", dijo. Las dos puntas del tenedor vibran en direcciones opuestas, él explicó, y cancele una forma de que la energía salga de la parte inferior del tenedor a través de su mano.

Los investigadores incluso imaginan el uso de un haz de nitruro de silicio controlado ópticamente como la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM), que detecta fuerzas en superficies para construir imágenes a escala de átomo. Una punta AFM controlada ópticamente se mantendría fría y funcionaría mejor. "Estás eliminando el movimiento térmico, lo que hace que sea más fácil ver las señales, Taylor explicó.

Esta técnica también podría utilizarse para hacer mejores metamateriales, objetos compuestos complejos que manipulan la luz o el sonido de nuevas formas y podrían utilizarse para fabricar mejores lentes o incluso los llamados "mantos de invisibilidad" que hacen que ciertas longitudes de onda de luz atraviesen un objeto en lugar de rebotar en él.

"Los metamateriales son nuestra respuesta a, '¿Cómo fabricamos materiales que capturan las mejores propiedades de luz y sonido? o para el calor y el movimiento? '", dijo Taylor." Es una técnica que se ha utilizado ampliamente en ingeniería, pero la combinación de la luz y el sonido sigue estando un poco abierta sobre hasta dónde podemos llegar, y esto proporciona una nueva herramienta para explorar ese espacio ".