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量子技術(shù)突破測(cè)量極限有望應(yīng)用于智能手機(jī)

MEMS ? 來(lái)源:MEMS ? 2023-07-18 09:06 ? 次閱讀
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據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,丹麥哥本哈根大學(xué)(University of Copenhagen)的研究人員發(fā)明了一種“量子鼓(quantum drum)”,可以極其精確地測(cè)量壓力、氣體泄漏、熱量、磁性等。該量子鼓甚至可以掃描出單個(gè)病毒的形狀。目前,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)適應(yīng)在室溫下工作,將來(lái)可能應(yīng)用于智能手機(jī)。

自古以來(lái),人類就試圖測(cè)量周圍的世界。目前,哥本哈根大學(xué)的研究人員正在利用量子物理學(xué)定律試圖開(kāi)發(fā)世界上有史以來(lái)最靈敏的測(cè)量器件之一。也許在將來(lái)的某一天,該測(cè)量器件將進(jìn)入我們每個(gè)人的生活之中。尼爾斯?玻爾研究所(Niels Bohr Institute)的研究人員通過(guò)兩種創(chuàng)新的解決方案,找到了一種將量子技術(shù)裝進(jìn)我們口袋的方法。

該器件的核心部分被稱為“量子鼓”:一種可以像鼓面一樣振動(dòng)的薄膜,但振幅很小,需要量子物理學(xué)定律來(lái)描述正在發(fā)生的事情。換句話說(shuō),它的振動(dòng)速度非???。這意味著該量子鼓可以用作超精密測(cè)量器件——超級(jí)量子傳感器

“超級(jí)量子傳感器非常靈敏,原則上,我們可以在數(shù)千公里外的哥本哈根地下室監(jiān)測(cè)到身在巴黎的人是否在進(jìn)行雙腿交替跳躍運(yùn)動(dòng),進(jìn)而捕捉該場(chǎng)景。但因?yàn)檫@需要遠(yuǎn)在巴黎的人以每秒140萬(wàn)次的速度跳躍,所以這只能是想象中的實(shí)驗(yàn)?!蹦釥査?玻爾研究所的量子傳感器團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Albert Schliesser教授笑著說(shuō)道。

撇開(kāi)設(shè)想不談,超級(jí)量子傳感器是真實(shí)存在的,并且有很多潛在的用途。通過(guò)讀取量子鼓運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)的變化,研究人員可以極其精確地測(cè)量各種各樣的物理量。

“例如,溫度的變化或氣體的存在將直接影響量子鼓的振動(dòng)方式,當(dāng)我們?cè)诹孔庸纳戏胖貌《緯r(shí)也是如此。激光可以協(xié)助我們準(zhǔn)確地讀取測(cè)量結(jié)果。但這僅僅是個(gè)開(kāi)始?!盨chlieser教授解釋道,“通過(guò)在薄膜上放置一小塊金屬或一小塊磁鐵,我們還可以非常精確地探測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)?!?/p>

創(chuàng)新可使每個(gè)人都能使用量子傳感器

你愿意花多少錢(qián)購(gòu)買(mǎi)一款超級(jí)量子傳感器?

這個(gè)問(wèn)題是世界上最大的科技公司之一的首席執(zhí)行官(CEO)提出的,那時(shí)他正在參觀哥本哈根尼爾斯?玻爾研究所里Schliesser及其研究小組工作的地下室,他很想了解更多關(guān)于量子鼓的信息。

然而,在實(shí)驗(yàn)室外操作量子鼓薄膜幾乎是不可能的,因?yàn)橐_(dá)到量子狀態(tài)和極高的精度,需要將工作環(huán)境用液氦冷卻到接近絕對(duì)零度(約零下250攝氏度)。

Scliesser解釋道:“由于室溫總會(huì)不受控制的變動(dòng),而高溫環(huán)境下的隨機(jī)變動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪音,淹沒(méi)測(cè)量結(jié)果。”

然而,氦冷卻裝置笨重、體積龐大且成本高昂,因而成為許多應(yīng)用的阻礙,尤其是對(duì)于消費(fèi)類設(shè)備的大批量應(yīng)用來(lái)說(shuō)。

但在近期,發(fā)表在Optica期刊上的最新研究表明,研究人員已經(jīng)證明,他們可以將自己發(fā)明的減震器和一種特殊的激光冷卻技術(shù)結(jié)合起來(lái),即使在室溫下(即沒(méi)有氦冷卻的情況下),也能實(shí)現(xiàn)極高的精度。

這意味著超級(jí)量子傳感器可以做得非常小,足以放在芯片中。研究人員說(shuō):“這將是一款非常小的器件。比如,該傳感器可以被安裝在半導(dǎo)體代工廠的真空系統(tǒng)內(nèi),以監(jiān)視溫度變化及氣體泄漏。”展望未來(lái),超級(jí)量子傳感器甚至有可能被集成到智能手機(jī)等消費(fèi)類設(shè)備中。

類似于磁共振成像(MRI)顯微鏡,量子鼓可能成為對(duì)抗病毒的武器

研究人員計(jì)劃尋求新的科學(xué)視野。來(lái)自瑞士的同事利用Schliesser實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)同步量子鼓,首次成功地對(duì)單個(gè)病毒的表面進(jìn)行了成像。這是通過(guò)掃描扎在病毒身上的超鋒利的針頭,并使用量子鼓測(cè)量病毒和針頭之間的力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

目前,Schliesser和他的同事們正在探索測(cè)量病毒內(nèi)部自旋產(chǎn)生的磁力的可能性。其基本原理類似于醫(yī)院掃描儀形成的人體詳細(xì)磁共振成像,只是該方法在尺寸上小得多。這可能會(huì)產(chǎn)生一種新型強(qiáng)大的工具幫助人們了解和對(duì)抗病毒。

Schlieser說(shuō):“我們現(xiàn)在正努力使像磁共振成像掃描儀一樣對(duì)病毒等微觀物體進(jìn)行成像成為可能。這將為健康科學(xué)提供一個(gè)新工具,除其它用途外,量子鼓可以用來(lái)研究新型病毒,以探究它們含有的蛋白質(zhì)種類?!?/p>






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:量子技術(shù)突破測(cè)量極限,有望應(yīng)用于智能手機(jī)

文章出處:【微信號(hào):MEMSensor,微信公眾號(hào):MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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