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[转载]普渡大学李统藏最新 Nature Nanotechnology (2021-12)

已有 695 次阅读 2022-5-26 16:01 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

普渡大学李统藏最新Nature Nanotechnology (anmoyi98.com)

▲第一作者:Zhujing Xu

通讯作:李统藏
通讯单位:美国普渡大学
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-021-01026-8

01

背景介绍


量子力学的基本预言之一是在真空中发生由零点能量引起的随机涨落。值得注意的是,量子电磁涨落可以在中性物体之间产生一个可测量的力,称为卡西米尔(Casimir)效应,理论和实验上都对此进行了研究。卡西米尔效应可以在小间距处支配微结构之间的相互作用,并且对于微米和纳米技术至关重要。它已被用于实现非线性振荡、量子俘获、声子转移和耗散稀释。然而,基于量子真空涨落的非互易设备仍然是一个未开发的前沿领域
 
02

本文亮点


1. 本工作报告了量子真空介导的两个微机械振荡器之间的非互易能量转移。通过参数调制卡西米尔相互作用,本工作实现了两个不同谐振频率的振荡器之间的强耦合
2. 本工作设计了系统的频谱,使其在参数空间中拥有一个例外点,并探索其附近的非对称拓扑结构。通过动态改变异常点附近的参数并利用过程的非绝热性,本工作实现了两个具有高对比度的振荡器之间的非互易能量转移
3. 本工作展示了一种利用量子真空涨落调节非互易能量转移的方案,并可能使未来的功能卡西米尔器件得以实现。

03

图文解析


▲图1. 双悬臂系统中的卡西米尔效应和异常点附近的特征值

要点:
1、本工作利用卡西米尔相互作用的强非线性和特殊点附近的非对称结构,通过调节两个微机械谐振器之间在期望的频率和振幅下的分离来打破时间反转对称(图1)。这样,本工作就实现了与卡齐米日相互作用的非互易能量转移。能量转移的方向取决于操作的顺序。
2、本工作的装置由两个谐振频率为ω1和ω2的悬臂梁组成,如图1a所示。微球附着在左悬臂梁上。两悬臂梁的振荡幅值记为A1和A2。两个悬臂梁都经历量子真空波动,并由卡西米尔力相互吸引。
3、本工作应用额外的分离调制来耦合两个不同频率的悬臂梁,作者发现,量子涨落(而不是热波动)主导了卡西米尔相互作用
  
▲图2. 卡西米尔效应的力测量和能量转移

要点:
1、实验装置示意图如图2a所示。两个悬臂梁的运动由两个光纤干涉仪独立监测。测量得到的卡西米尔力梯度除以微球半径如图2b所示。实验数据与接近力近似下真实金膜之间卡西米尔力的理论预测吻合较好。
2、接下来,本工作通过量子真空涨落实现了两个悬臂梁之间的强耦合。为了耦合具有不同共振频率的两个悬臂梁,本工作以慢速ωmod调制它们之间的分离,通过改变调制幅度δd来控制有效耦合强度。与直接耦合要求谐振频率相同不同,参数耦合赋予本工作耦合任意谐振器更多的自由度,控制两个振荡器的耦合时间、耦合强度和有效失谐量。
3、最大传导幅度A1/A2作为一个功能的分离显示在图2d。因此,本工作成功通过量子真空涨落实现了能量转移。可以减小分离x或增加调制幅度δd来实现强耦合。图2e显示了在悬臂梁1(左)上施加参数调制时,悬臂梁2的功率谱密度(PSD)随PSD频率和调制频率fmod的变化。在共振附近,本工作观察到水平排斥(图2f),这表明悬臂梁之间的强耦合
  
▲图3. 卡西米尔效应的非互易能量转移

▲图4. 卡西米尔效应的非互易能量转移效率
 
要点:
1、本工作首先实验测量了系统在异常点附近的光谱。异常点位于两个特征值曲面相交的点。在自然条件下,两个悬臂梁具有可比的阻尼率,阻尼差接近于零。因此,异常点位于δd=0处,即两悬臂梁之间没有耦合。为了打破对称性和实现非互易的能量转移,本工作需要给系统增加额外的增益或损耗,以转移异常点
2、图3a、b给出了测量的悬臂梁2的PSD,它们表明该双悬臂梁系统的异常点大约位于δd=5.5 nm和fmod=727 Hz。根据耦合强度计算出分离度为76 nm。基于异常点的测量,本工作设计了一个动态顺时针(CW)控制环路,如图3c所示。调制振幅从6.7±0.6 nm连续控制到13.3 ± 0.6nm,调制频率从680 Hz调谐到785 Hz。
3、本工作表明,当δd=6.7 nm时,能量更倾向于通过控制过程转移到阻尼较小的悬臂梁上。由于两个本征态之间的能隙与运算速度相比较大,因此该过程对于控制回路的其他部分是绝热的。因此,图3c所示的控制回路打破了时间反转对称性
4、悬臂2在CW回路后,无论初始状态如何,都主导着系统中的总能量。与之相反,悬臂梁1主导了ACW回路后的能量,如图3e,g所示。对于同一控制回路,两个方向不同的能量转移过程具有很高的对比度。本工作的系统通过设计控制回路来灵活地操纵能量转移方向
5、本工作证明了在异常点附近的非对称结构导致了高效率的方向性。为了量化动态控制回路后的能量转移效率,本工作计算了当悬臂1先被激励时,在控制回路末端的能量转移效率。
 
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41565-021-01026-8

04

作者简介


李统藏
李统藏,普渡大学物理和天文系、以及电气和计算机工程系副教授。2004年于中国科学技术大学获得学士学位。2011年在德克萨斯大学奥斯汀分校获得博士学位。在Science,Nature Physics,Nature Communications,Physical Review Letters等期刊上发表文章。 在2010年用激光光镊首次实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度;2012年首次提出利用超冷束缚离子实现时空晶体的方案;2018年研制成每分钟转速超过600亿次的世界最快转子。

更多介绍:
http://www.physics.purdue.edu/people/faculty/tcli.php




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