Физикам удалось заставить вращаться левитирующие кремниевые наноцилиндры с постоянной частотой без потери устойчивости хода. Предложенная система является наиболее точными наномеханическими часами и может быть использована в качестве газового сенсора или для изучения квантовой механики вращательного движения, пишут ученые в журнале Nature Communications.

Работа любого хронометра основана на использовании колебательных процессов с известным периодом, который при этом является устойчивым и не меняется со временем. Работа всех самых точных часов основана на электромагнитных или квантовых эффектах, например, для определения эталона времени сейчас используют атомные часы, в которых источником периодических колебаний являются электронные переходы между уровнями сверхтонкого расщепления. Создать же устойчивую механическую колебательную систему значительно сложнее, и устойчивость периода для самых точных нано- и микромеханических колебательных систем примерно на 7 — 9 порядков меньше, чем для атомных часов.

Коллектив физиков из Австрии, Германии и Израиля под руководством Штефана Куна (Stefan Kuhn) из Венского университета предложил создать сверхстабильную колебательную систему, которую можно использовать для измерения времени, из вращающихся кремниевых наночастиц. Для этого с помощью лазерных ловушек с длиной волны 1550 нанометров ученые создали в вакууме массив левитирующих кремниевых наноцилиндров длиной 725 нанометров и диаметром 130 нанометров. Если в такой системе периодически переключать поляризацию света, с помощью которой осуществляется удержание наночастиц, то можно заставить их непрерывно вращаться с определенной частотой. Оказалось, что частота вращения наноцилиндров при этом синхронизируется с частотой лазерных импульсов.

Таким образом физики заставили частицы вращаться с частотой около одного мегагерца. Из-за синхронизации частот вращательного движения наночастиц и внешнего источника возбуждения, устойчивость периода колебаний (отношение отклонения частоты к самой частоте) таких часов достигла 10−12, что означает накопление ошибки в одну секунду примерно за 11 тысяч лет. Для сравнения, атомные часы имеют точность примерно на 5 порядков выше, а самые точные наномеханические системы, которые были известны до этого, — на 4 порядка ниже.

Объяснить повышенную устойчивость физики смогли, рассмотрев теоретическую модель, связывающую ориентацию наноцилиндра с поляризацией излучения. Оказалось, что устойчивые режимы вращения в таких системах действительно существуют в довольно широком диапазоне параметров. Подтвердить это ученым удалось, проварьировав частоту колебаний таких наномеханических часов примерно от 0,5 до 1,5 мегагерца без потери устойчивости. Из-за того, что устойчивость хода таких механических наночасов полностью определяется устойчивостью возбуждающих колебаний, то в будущем она может быть еще увеличена.

Слева изображен график зависимости мощности сигнала от частоты колебаний. Справа — сдвиг фазы колебаний при увеличении внешнего давления от 4 до 10 миллибар. Stefan Kuhn et al./ Nature Communications, 2017

Кроме того, вращение нанострелок оказалось чувствительно к внешним условиям, в частности, к внешнему давлению. Так, увеличение давления от 4 до 10 миллибар приводит к сдвигу фазы вращения примерно на 25 градусов.

Ученые предполагают, что в будущем такие системы можно будет использовать в качестве элементов газовых сенсоров, например, для оценки скорости и турбулентности газовых потоков на наноуровне. Другим возможным применением таких часов авторы работы называют изучение квантовых свойств вращающихся систем, например, при испускании или поглощения фотонов.

Новые технологии и материалы используются не только для повышения устойчивости работы наномеханических хронометров, но и для обычных наручных механических часов. Например, использование графена в некоторых элементах механических часов позволяет не только уменьшить их массу, но и повысить точность.

Автор: Александр Дубов