Как услышать поворот невидимого ✛
Представьте себе струну, натянутую между двумя колками. Малейшее прикосновение заставляет её дрожать, и по высоте звука можно угадать, как именно её тронули. Похожую струну физики из Аризонского университета натянули не в музыкальном инструменте, а на кремниевой мембране толщиной в сотню нанометров. Только вместо звука они слушают свет, отражённый от крошечной решётки, нанесённой на эту мембрану.
Решётка — это периодический узор из линий с шагом около 700 нанометров, меньше длины волны используемого света. Когда лазерный луч попадает на неё под определённым углом, свет не просто отражается или проходит насквозь, а возбуждает в решётке особое состояние — резонанс направляемой моды. Это похоже на то, как если бы свет на мгновение «застревал» в структуре, прежде чем выйти наружу. Пропускание резко падает, и это падение очень чувствительно к углу падения.
Если мембрана чуть-чуть поворачивается, локальный угол, под которым свет встречает решётку, меняется. Резонанс сдвигается, и интенсивность прошедшего света модулируется. Так угловое смещение превращается в изменение яркости, которое легко измерить фотодиодом. В эксперименте удалось уловить повороты в 3 нанорадиана за секунду измерения при мощности света всего 380 нановатт — это в тысячи раз слабее, чем у лазерной указки.
Такой чувствительности хватило, чтобы увидеть тепловое дрожание наноленты — тонкой полоски нитрида кремния, колеблющейся вокруг своей оси. Её добротность, то есть число колебаний до затухания, составила 1,5 миллиона. Сигнал от этого дрожания был виден с отношением сигнал/шум 47 децибел, что подтверждает: метод работает на пределе, определяемом квантовой природой света.
Теперь, когда струна натянута и звучит, остаётся лишь настроить её ещё тоньше. Уменьшив ширину резонанса и увеличив мощность зондирующего света, можно достичь чувствительности 0,01 нанорадиана на корень из герца — уровня лучших лабораторных оптических рычагов. Тогда станут доступны квантовые датчики крутящего момента, способные почувствовать вращательное усилие в зептоньютон-метрах, и компактные инерциальные сенсоры для навигации без GPS. Струна, отзывающаяся на малейший поворот, может стать основой нового класса приборов.
Резонанс направляемой моды в этой работе имеет угловую ширину 2.5 мрад — это как заметить поворот луча длиной 1 км на 2.5 мм. А чувствительность 3 нрад/√Гц эквивалентна измерению угла, под которым виден человеческий волос с расстояния 1000 км.
В романе «Солярис» Станислава Лема океан реагирует на мельчайшие воздействия, а учёные пытаются уловить его отклик. Здесь нанолента с решёткой улавливает тепловые дрожания — шаг к датчикам, чувствующим невидимое.