'Exprimir' se usa en física, entre otras cosas, para mejorar la resolución de los instrumentos de medida. Permite suprimir el ruido perturbador de forma que las señales más pequeñas puedan detectarse con mayor sensibilidad. El equipo dirigido por la profesora física Eva Weig en la Universidad de Konstanz ahora ha podido mostrar cómo un estado tan comprimido se puede medir de una manera mucho más simple que con los métodos existentes. Es más, el nuevo método permite examinar estados comprimidos en sistemas donde antes no era posible realizar tales mediciones. Los resultados se publican en el número actual de la revista. Revisión física X .

Exprimiendo las fluctuaciones térmicas de una nanocadena

En el experimento del grupo de Nanomecánica dirigido por Eva Weig, se comprimen las fluctuaciones térmicas de un resonador de cuerda nanomecánico vibrante. La nanocuerda se puede considerar como una pequeña cuerda de guitarra, mil veces más delgado y más corto que un cabello humano. Los sistemas nanomecánicos como la nanocadena bajo investigación son candidatos prometedores para instrumentos de medición de alta precisión. Su sensibilidad, sin embargo, está naturalmente limitado a temperatura ambiente. La energía térmica provoca un ruido térmico, un temblor de la cuerda, lo que limita la precisión de la medición. Esta vibración incontrolada del sistema a temperatura ambiente se basa en el teorema de equipartición termodinámica, un principio fundamental de la física clásica. Respectivamente, el ruido térmico debe ser igualmente grande en cada dirección del llamado espacio de fase, es decir, formar una distribución circular.

Weig y su estudiante de doctorado Jana Huber agregaron un fuerte impulso a este ruido térmico. De esta manera, la cuerda se golpeó con mucha fuerza. Si la cuerda se desvía lo suficiente, deja de comportarse linealmente. Esto significa que la fuerza que desvía la cuerda ya no es proporcional a la fuerza que la devuelve a su posición original. El impulso fuerte altera las fluctuaciones térmicas como resultado de una violación de la simetría de inversión del tiempo. En el espacio de fase, ya no se ven como un círculo sino como una elipse:al menos en una dirección, su diámetro, es decir, el ruido, se vuelve significativamente más pequeño — se aprieta. "Teóricamente se sabía de antemano que esto tendría que suceder, pero nunca se ha medido con tanta claridad, porque es un efecto relativamente sutil, "explica Eva Weig.

Factores perturbadores

Sin embargo, el método de mapear el estado comprimido directamente en el espacio de fase no siempre funciona. Esto también se aplica a la nanocadena estudiada por los investigadores de Konstanz. Mientras que una cuerda de guitarra convencional, una vez desplumado, se balancea hacia adelante y hacia atrás solo unos cientos de veces antes de calmarse nuevamente, una nanocadena vibra más de 300, 000 veces. Sin embargo, esta alta "calidad mecánica" también hace que la cuerda sea muy sensible a las perturbaciones, como fluctuaciones mínimas de temperatura. En estos sistemas no es posible medir un estado comprimido como una elipse en el espacio de fase.

Por lo tanto, Huber persigue un concepto diferente con su medición. El ruido no se examina en todo el espacio de fase, pero solo resuelto espectralmente, es decir, de acuerdo con las frecuencias que ocurren en el mismo. Además de la frecuencia de conducción, el espectro muestra dos componentes de frecuencia más, uno a la izquierda y otro a la derecha de la unidad, que se asignan al ruido térmico. Los físicos teóricos Dr. Gianluca Rastelli y el profesor Wolfgang Belzig de la Universidad de Konstanz y el profesor Mark Dykman de la Universidad Estatal de Michigan (EE. UU.), que también están involucrados en el trabajo, había predicho exactamente esta ocurrencia de más frecuencias. "Pero nadie lo había visto antes con tanta belleza. Esto tiene que ver con el hecho de que nuestra calidad mecánica es tan alta que pudimos resolverlo con una claridad cristalina". "dice Eva Weig.

Por lo tanto, También es la primera vez que se puede ver que estas dos señales de satélite difieren en altura. En estrecha cooperación con Gianluca Rastelli, Huber pudo demostrar que la diferencia de intensidad entre estos dos satélites (la relación de las áreas bajo las dos señales de satélite) es una medida directa del parámetro de compresión, es decir, con qué fuerza se aprieta el ruido.

'Radicalmente simple'

'Radicalmente simple' es cómo los físicos Weig y Dykman describen el método que permite apretar las mediciones no solo en sistemas mecánicos como el de aquí, pero en una amplia gama de sistemas, lo fundamental es que son de alta calidad y tienen un fuerte impulso. Incluso existen vínculos con los sistemas mecánicos cuánticos.

Es más, hay una "cautivadora congruencia entre el experimento y la teoría, "como enfatizan unánimemente Eva Weig y Wolfgang Belzig. Los datos medidos se ajustan precisamente al modelo desarrollado por los colegas teórico-físicos en Konstanz y en la Universidad Estatal de Michigan.