光子的特性是奇怪的：他們沒有質(zhì)量，但他們卻有動(dòng)量。這使得研究人員能夠用光子實(shí)現(xiàn)一些非傳統(tǒng)的事情，比如利用光子推動(dòng)周圍的物質(zhì)。
“對(duì)于這些很小的力，很少有相應(yīng)的參考，”Shaw說。“這是一種嘗試，并獲得這些研究成果。”
Shaw說的“小”，意味著是非常小。力的國(guó)際單位單位是牛頓。一個(gè)牛頓相當(dāng)于一個(gè)普通大小蘋果的重量。實(shí)驗(yàn)組正在研究對(duì)極小的力的測(cè)量，大約為幾微牛頓的力(10e-6，百萬分之一牛頓)到15飛牛頓(10e-15，一千萬億分之一牛頓)，這種相當(dāng)于原子水平的相互作用力。一個(gè)皮牛頓(10e-12)“能拉伸一個(gè)DNA分子，”Shaw說。
物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)兩種類型的測(cè)力裝置，使用激光來可靠地創(chuàng)建較小的力。首先是一個(gè)芯片大小的傳感器，可以使用微瓦到毫瓦功率的光。二是恰當(dāng)設(shè)計(jì)的1瓦激光的桌面裝置，但它有能被開發(fā)成功率為幾十千瓦激光的潛力。
最終的商業(yè)用途可能包括傳感器，使用激光作為一個(gè)內(nèi)置的參考，讓科學(xué)家們確保他們的設(shè)備真的具有正確測(cè)量力的能力。但潛在的應(yīng)用不知是對(duì)力的測(cè)量，也可以制作成廉價(jià)的便攜式現(xiàn)場(chǎng)天平，進(jìn)行一毫克或更少的物質(zhì)的即時(shí)測(cè)量，或制作成緊湊的激光功率計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。
芯片大小的天平
由該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的兩種測(cè)力計(jì)，較小的是由石英玻璃制成的一個(gè)芯片大小的傳感器。它由一個(gè)小懸臂，一個(gè)微型跳水板組成，長(zhǎng)度不超過1厘米。力越大，懸臂移動(dòng)越大。一個(gè)內(nèi)置的干涉儀作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。
物理上推動(dòng)跳水板是用于測(cè)量力的一個(gè)方法來。但研究人員還需要測(cè)量他們的傳感器的靈敏度。測(cè)量靈敏度的最佳方法是將一個(gè)著名的力施加到懸臂上，看看干涉儀是如何測(cè)量的。
為了利用光進(jìn)行操縱懸臂，他們?cè)谄渖涎b配了一個(gè)高反射性表面，黃金涂層的表面，可以反射光纖上的光。當(dāng)這個(gè)光照射到金表面時(shí)，其動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)移到懸臂上，懸臂開始振動(dòng)。
“你可以參考想象一個(gè)調(diào)音叉，你打擊之后，它會(huì)在一個(gè)特定的頻率或特定的音調(diào)上震動(dòng)。這也同樣的情況，”Shaw解釋說。
他們發(fā)現(xiàn)，如果從表面進(jìn)行反射激光，有一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法基于激光功率來進(jìn)行計(jì)算力的大小。功率越高，產(chǎn)生的光子越多，產(chǎn)生的力也就越大。
此外，由于懸臂的諧振頻率的變化幾乎瞬間完成的，如果一個(gè)物體被放置在它上面，該機(jī)制也可以被用來作為一個(gè)非常敏感的天平，特別是對(duì)那些是非常有價(jià)值的或危險(xiǎn)的目標(biāo)物品。例如，珠寶商可以使用它作為對(duì)寶石衡量和定價(jià)一個(gè)更便宜的替代方式。它甚至可以作為一個(gè)便攜式領(lǐng)域的一次性工具，用于測(cè)量有害物質(zhì)的樣品。
基于這種設(shè)計(jì)上的變化也可以用來提高原子力顯微鏡的校準(zhǔn)，甚至用于測(cè)量激光功率。與目前的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的測(cè)量激光功率的方法—一個(gè)低溫輻射計(jì)不同的是，一個(gè)基于芯片的激光功率計(jì)，這樣可以在室溫下實(shí)時(shí)使用。
“大多數(shù)激光功率計(jì)工作通過吸收光。光照到激光功率計(jì)后，它就不見了，”Shaw說。“有了這樣的一種方法，光被反射了，你仍然可以使用它。”
單光子的力
但即使在目前所使用的低激光功率情況下—只是百萬分之一瓦特，激光中仍然包含了大量的光子。在將來，Shaw說，他希望開發(fā)一種能夠利用單光子探測(cè)的力測(cè)量裝置。原因是，整數(shù)沒有不確定性;如果你計(jì)算單個(gè)光子，你知道每個(gè)光子產(chǎn)生多少力，那么你可以計(jì)算出力。
“這可能是目前最精確測(cè)量力的方法，如果我們可以準(zhǔn)確地計(jì)算，”Shaw說。
該方案將需要測(cè)量的是澤牛頓力(10e-21)，相當(dāng)于每秒1億光子“這也是數(shù)不清的數(shù)量，”Shaw說。然而，他解釋說，他們還沒有進(jìn)展到那里。這將需要一段時(shí)間。
首先，他們必須弄清楚如何冷卻單光子力傳感器到絕對(duì)零度以上的幾分之一度，這需要一個(gè)低溫恒溫器。但是，當(dāng)他們了解到硬件工作的方式，一個(gè)典型的低溫恒溫器會(huì)產(chǎn)生太多的振動(dòng)，干擾了如此精確的測(cè)量，比他們可以接受的程度要大10000倍。
當(dāng)他們準(zhǔn)備在一個(gè)新的，不震動(dòng)的低溫恒溫器中測(cè)試他們的原型時(shí)，設(shè)計(jì)他們把振動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)可解決的不同的問題。
“我們能夠用我們的力傳感器作為加速度計(jì)，這讓我們能夠測(cè)量出低溫恒溫器產(chǎn)生了多少振動(dòng)，”Shaw說。“這是一種在原地振動(dòng)測(cè)試的方法，在而利用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行測(cè)量。”
靜電力天平
最后，該團(tuán)隊(duì)正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實(shí)驗(yàn)，可能高達(dá)幾十千瓦，像那些用于工業(yè)應(yīng)用，如焊接和切割金屬的激光。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)，目前設(shè)計(jì)為1瓦激光，使用桌面設(shè)備稱為電力天平(EFB)。正如它的芯片大小的近似產(chǎn)品，EFB依靠高反射鏡和激光來創(chuàng)建一個(gè)可測(cè)量的力。但不是使用一個(gè)干涉儀，EFB是利用一個(gè)電容器來測(cè)量靜電力，是兩個(gè)同心圓筒組成的板。在真空中，研究人員從鏡面反射1瓦特激光，然后利用電容器測(cè)量力。
作為一個(gè)更小的激光傳感器，這些測(cè)量中使用的激光是不會(huì)丟失的，它離開鏡面，理論上可以直接用在工廠的激光加工過程中。
即使對(duì)于那些高功率激光束，產(chǎn)生的力也“真的，真的很小，”Shaw說。“我沒1瓦特激光對(duì)應(yīng)納牛頓。如果你把雙原子分開，需要幾個(gè)納牛頓的力(10e-9)。”
Shaw說，能夠使用基本的一個(gè)物理原理進(jìn)行精確測(cè)量力，這是很令人興奮的，激光功率在如此大的范圍，從毫克量級(jí)的物體到原子之間的相互作用。“因?yàn)檫€處于基本的研究階段，對(duì)于開發(fā)新的方法會(huì)有一個(gè)小的空間，并且要用不同的方式進(jìn)行思考問題，”Shaw說。
近日，一組化學(xué)科學(xué)家在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室(PML)的化學(xué)家GordonShaw的帶領(lǐng)下，已經(jīng)利用這一特性來開發(fā)設(shè)備，可以測(cè)量微小的力，而這一領(lǐng)域目前正缺少相應(yīng)的技術(shù)。
“對(duì)于這些很小的力，很少有相應(yīng)的參考，”Shaw說。“這是一種嘗試，并獲得這些研究成果。”
Shaw說的“小”，意味著是非常小。力的國(guó)際單位單位是牛頓。一個(gè)牛頓相當(dāng)于一個(gè)普通大小蘋果的重量。實(shí)驗(yàn)組正在研究對(duì)極小的力的測(cè)量，大約為幾微牛頓的力(10e-6，百萬分之一牛頓)到15飛牛頓(10e-15，一千萬億分之一牛頓)，這種相當(dāng)于原子水平的相互作用力。一個(gè)皮牛頓(10e-12)“能拉伸一個(gè)DNA分子，”Shaw說。
物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)兩種類型的測(cè)力裝置，使用激光來可靠地創(chuàng)建較小的力。首先是一個(gè)芯片大小的傳感器，可以使用微瓦到毫瓦功率的光。二是恰當(dāng)設(shè)計(jì)的1瓦激光的桌面裝置，但它有能被開發(fā)成功率為幾十千瓦激光的潛力。
最終的商業(yè)用途可能包括傳感器，使用激光作為一個(gè)內(nèi)置的參考，讓科學(xué)家們確保他們的設(shè)備真的具有正確測(cè)量力的能力。但潛在的應(yīng)用不知是對(duì)力的測(cè)量，也可以制作成廉價(jià)的便攜式現(xiàn)場(chǎng)天平，進(jìn)行一毫克或更少的物質(zhì)的即時(shí)測(cè)量，或制作成緊湊的激光功率計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。
芯片大小的天平
由該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的兩種測(cè)力計(jì)，較小的是由石英玻璃制成的一個(gè)芯片大小的傳感器。它由一個(gè)小懸臂，一個(gè)微型跳水板組成，長(zhǎng)度不超過1厘米。力越大，懸臂移動(dòng)越大。一個(gè)內(nèi)置的干涉儀作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。
物理上推動(dòng)跳水板是用于測(cè)量力的一個(gè)方法來。但研究人員還需要測(cè)量他們的傳感器的靈敏度。測(cè)量靈敏度的最佳方法是將一個(gè)著名的力施加到懸臂上，看看干涉儀是如何測(cè)量的。
為了利用光進(jìn)行操縱懸臂，他們?cè)谄渖涎b配了一個(gè)高反射性表面，黃金涂層的表面，可以反射光纖上的光。當(dāng)這個(gè)光照射到金表面時(shí)，其動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)移到懸臂上，懸臂開始振動(dòng)。
“你可以參考想象一個(gè)調(diào)音叉，你打擊之后，它會(huì)在一個(gè)特定的頻率或特定的音調(diào)上震動(dòng)。這也同樣的情況，”Shaw解釋說。
他們發(fā)現(xiàn)，如果從表面進(jìn)行反射激光，有一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法基于激光功率來進(jìn)行計(jì)算力的大小。功率越高，產(chǎn)生的光子越多，產(chǎn)生的力也就越大。
此外，由于懸臂的諧振頻率的變化幾乎瞬間完成的，如果一個(gè)物體被放置在它上面，該機(jī)制也可以被用來作為一個(gè)非常敏感的天平，特別是對(duì)那些是非常有價(jià)值的或危險(xiǎn)的目標(biāo)物品。例如，珠寶商可以使用它作為對(duì)寶石衡量和定價(jià)一個(gè)更便宜的替代方式。它甚至可以作為一個(gè)便攜式領(lǐng)域的一次性工具，用于測(cè)量有害物質(zhì)的樣品。
基于這種設(shè)計(jì)上的變化也可以用來提高原子力顯微鏡的校準(zhǔn)，甚至用于測(cè)量激光功率。與目前的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的測(cè)量激光功率的方法—一個(gè)低溫輻射計(jì)不同的是，一個(gè)基于芯片的激光功率計(jì)，這樣可以在室溫下實(shí)時(shí)使用。
“大多數(shù)激光功率計(jì)工作通過吸收光。光照到激光功率計(jì)后，它就不見了，”Shaw說。“有了這樣的一種方法，光被反射了，你仍然可以使用它。”
單光子的力
但即使在目前所使用的低激光功率情況下—只是百萬分之一瓦特，激光中仍然包含了大量的光子。在將來，Shaw說，他希望開發(fā)一種能夠利用單光子探測(cè)的力測(cè)量裝置。原因是，整數(shù)沒有不確定性;如果你計(jì)算單個(gè)光子，你知道每個(gè)光子產(chǎn)生多少力，那么你可以計(jì)算出力。
“這可能是目前最精確測(cè)量力的方法，如果我們可以準(zhǔn)確地計(jì)算，”Shaw說。
該方案將需要測(cè)量的是澤牛頓力(10e-21)，相當(dāng)于每秒1億光子“這也是數(shù)不清的數(shù)量，”Shaw說。然而，他解釋說，他們還沒有進(jìn)展到那里。這將需要一段時(shí)間。
首先，他們必須弄清楚如何冷卻單光子力傳感器到絕對(duì)零度以上的幾分之一度，這需要一個(gè)低溫恒溫器。但是，當(dāng)他們了解到硬件工作的方式，一個(gè)典型的低溫恒溫器會(huì)產(chǎn)生太多的振動(dòng)，干擾了如此精確的測(cè)量，比他們可以接受的程度要大10000倍。
當(dāng)他們準(zhǔn)備在一個(gè)新的，不震動(dòng)的低溫恒溫器中測(cè)試他們的原型時(shí)，設(shè)計(jì)他們把振動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)可解決的不同的問題。
“我們能夠用我們的力傳感器作為加速度計(jì)，這讓我們能夠測(cè)量出低溫恒溫器產(chǎn)生了多少振動(dòng)，”Shaw說。“這是一種在原地振動(dòng)測(cè)試的方法，在而利用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行測(cè)量。”
靜電力天平
最后，該團(tuán)隊(duì)正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實(shí)驗(yàn)，可能高達(dá)幾十千瓦，像那些用于工業(yè)應(yīng)用，如焊接和切割金屬的激光。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)，目前設(shè)計(jì)為1瓦激光，使用桌面設(shè)備稱為電力天平(EFB)。正如它的芯片大小的近似產(chǎn)品，EFB依靠高反射鏡和激光來創(chuàng)建一個(gè)可測(cè)量的力。但不是使用一個(gè)干涉儀，EFB是利用一個(gè)電容器來測(cè)量靜電力，是兩個(gè)同心圓筒組成的板。在真空中，研究人員從鏡面反射1瓦特激光，然后利用電容器測(cè)量力。
作為一個(gè)更小的激光傳感器，這些測(cè)量中使用的激光是不會(huì)丟失的，它離開鏡面，理論上可以直接用在工廠的激光加工過程中。
即使對(duì)于那些高功率激光束，產(chǎn)生的力也“真的，真的很小，”Shaw說。“我沒1瓦特激光對(duì)應(yīng)納牛頓。如果你把雙原子分開，需要幾個(gè)納牛頓的力(10e-9)。”
Shaw說，能夠使用基本的一個(gè)物理原理進(jìn)行精確測(cè)量力，這是很令人興奮的，激光功率在如此大的范圍，從毫克量級(jí)的物體到原子之間的相互作用。“因?yàn)檫€處于基本的研究階段，對(duì)于開發(fā)新的方法會(huì)有一個(gè)小的空間，并且要用不同的方式進(jìn)行思考問題，”Shaw說。
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