光子的特性是奇怪的：他們沒有質(zhì)量，但他們卻有動量。這使得研究人員能夠用光子實現(xiàn)一些非傳統(tǒng)的事情，比如利用光子推動周圍的物質(zhì)。
“對于這些很小的力，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。力的國際單位單位是牛頓。一個牛頓相當(dāng)于一個普通大小蘋果的重量。實驗組正在研究對極小的力的測量，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。一個皮牛頓(10e-12)“能拉伸一個DNA分子，”Shaw說。
物理測量實驗室的團(tuán)隊目前正在開發(fā)兩種類型的測力裝置，使用激光來可靠地創(chuàng)建較小的力。首先是一個芯片大小的傳感器，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)備真的具有正確測量力的能力。但潛在的應(yīng)用不知是對力的測量，也可以制作成廉價的便攜式現(xiàn)場天平，進(jìn)行一毫克或更少的物質(zhì)的即時測量，或制作成緊湊的激光功率計進(jìn)行實時的測量。
芯片大小的天平
由該研究團(tuán)隊開發(fā)的兩種測力計，較小的是由石英玻璃制成的一個芯片大小的傳感器。它由一個小懸臂，一個微型跳水板組成，長度不超過1厘米。力越大，懸臂移動越大。一個內(nèi)置的干涉儀作為一個運動傳感器。
物理上推動跳水板是用于測量力的一個方法來。但研究人員還需要測量他們的傳感器的靈敏度。測量靈敏度的最佳方法是將一個著名的力施加到懸臂上，看看干涉儀是如何測量的。
為了利用光進(jìn)行操縱懸臂，他們在其上裝配了一個高反射性表面，黃金涂層的表面，可以反射光纖上的光。當(dāng)這個光照射到金表面時，其動量會轉(zhuǎn)移到懸臂上，懸臂開始振動。
“你可以參考想象一個調(diào)音叉，你打擊之后，它會在一個特定的頻率或特定的音調(diào)上震動。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，有一個相對簡單的方法基于激光功率來進(jìn)行計算力的大小。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，如果一個物體被放置在它上面，該機制也可以被用來作為一個非常敏感的天平，特別是對那些是非常有價值的或危險的目標(biāo)物品。例如，珠寶商可以使用它作為對寶石衡量和定價一個更便宜的替代方式。它甚至可以作為一個便攜式領(lǐng)域的一次性工具，用于測量有害物質(zhì)的樣品。
基于這種設(shè)計上的變化也可以用來提高原子力顯微鏡的校準(zhǔn)，甚至用于測量激光功率。與目前的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的測量激光功率的方法—一個低溫輻射計不同的是，一個基于芯片的激光功率計，這樣可以在室溫下實時使用。
“大多數(shù)激光功率計工作通過吸收光。光照到激光功率計后，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的力測量裝置。原因是，整數(shù)沒有不確定性;如果你計算單個光子，你知道每個光子產(chǎn)生多少力，那么你可以計算出力。
“這可能是目前最精確測量力的方法，如果我們可以準(zhǔn)確地計算，”Shaw說。
該方案將需要測量的是澤牛頓力(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。這將需要一段時間。
首先，他們必須弄清楚如何冷卻單光子力傳感器到絕對零度以上的幾分之一度，這需要一個低溫恒溫器。但是，當(dāng)他們了解到硬件工作的方式，一個典型的低溫恒溫器會產(chǎn)生太多的振動，干擾了如此精確的測量，比他們可以接受的程度要大10000倍。
當(dāng)他們準(zhǔn)備在一個新的，不震動的低溫恒溫器中測試他們的原型時，設(shè)計他們把振動問題轉(zhuǎn)化為一個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，這讓我們能夠測量出低溫恒溫器產(chǎn)生了多少振動，”Shaw說。“這是一種在原地振動測試的方法，在而利用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行測量。”
靜電力天平
最后，該團(tuán)隊正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實驗，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。
這個實驗，目前設(shè)計為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)建一個可測量的力。但不是使用一個干涉儀，EFB是利用一個電容器來測量靜電力，是兩個同心圓筒組成的板。在真空中，研究人員從鏡面反射1瓦特激光，然后利用電容器測量力。
作為一個更小的激光傳感器，這些測量中使用的激光是不會丟失的，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瓦特激光對應(yīng)納牛頓。如果你把雙原子分開，需要幾個納牛頓的力(10e-9)。”
Shaw說，能夠使用基本的一個物理原理進(jìn)行精確測量力，這是很令人興奮的，激光功率在如此大的范圍，從毫克量級的物體到原子之間的相互作用。“因為還處于基本的研究階段，對于開發(fā)新的方法會有一個小的空間，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)家在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所物理測量實驗室(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，可以測量微小的力，而這一領(lǐng)域目前正缺少相應(yīng)的技術(shù)。
“對于這些很小的力，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。力的國際單位單位是牛頓。一個牛頓相當(dāng)于一個普通大小蘋果的重量。實驗組正在研究對極小的力的測量，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。一個皮牛頓(10e-12)“能拉伸一個DNA分子，”Shaw說。
物理測量實驗室的團(tuán)隊目前正在開發(fā)兩種類型的測力裝置，使用激光來可靠地創(chuàng)建較小的力。首先是一個芯片大小的傳感器，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)備真的具有正確測量力的能力。但潛在的應(yīng)用不知是對力的測量，也可以制作成廉價的便攜式現(xiàn)場天平，進(jìn)行一毫克或更少的物質(zhì)的即時測量，或制作成緊湊的激光功率計進(jìn)行實時的測量。
芯片大小的天平
由該研究團(tuán)隊開發(fā)的兩種測力計，較小的是由石英玻璃制成的一個芯片大小的傳感器。它由一個小懸臂，一個微型跳水板組成，長度不超過1厘米。力越大，懸臂移動越大。一個內(nèi)置的干涉儀作為一個運動傳感器。
物理上推動跳水板是用于測量力的一個方法來。但研究人員還需要測量他們的傳感器的靈敏度。測量靈敏度的最佳方法是將一個著名的力施加到懸臂上，看看干涉儀是如何測量的。
為了利用光進(jìn)行操縱懸臂，他們在其上裝配了一個高反射性表面，黃金涂層的表面，可以反射光纖上的光。當(dāng)這個光照射到金表面時，其動量會轉(zhuǎn)移到懸臂上，懸臂開始振動。
“你可以參考想象一個調(diào)音叉，你打擊之后，它會在一個特定的頻率或特定的音調(diào)上震動。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，有一個相對簡單的方法基于激光功率來進(jìn)行計算力的大小。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，如果一個物體被放置在它上面，該機制也可以被用來作為一個非常敏感的天平，特別是對那些是非常有價值的或危險的目標(biāo)物品。例如，珠寶商可以使用它作為對寶石衡量和定價一個更便宜的替代方式。它甚至可以作為一個便攜式領(lǐng)域的一次性工具，用于測量有害物質(zhì)的樣品。
基于這種設(shè)計上的變化也可以用來提高原子力顯微鏡的校準(zhǔn)，甚至用于測量激光功率。與目前的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的測量激光功率的方法—一個低溫輻射計不同的是，一個基于芯片的激光功率計，這樣可以在室溫下實時使用。
“大多數(shù)激光功率計工作通過吸收光。光照到激光功率計后，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的力測量裝置。原因是，整數(shù)沒有不確定性;如果你計算單個光子，你知道每個光子產(chǎn)生多少力，那么你可以計算出力。
“這可能是目前最精確測量力的方法，如果我們可以準(zhǔn)確地計算，”Shaw說。
該方案將需要測量的是澤牛頓力(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。這將需要一段時間。
首先，他們必須弄清楚如何冷卻單光子力傳感器到絕對零度以上的幾分之一度，這需要一個低溫恒溫器。但是，當(dāng)他們了解到硬件工作的方式，一個典型的低溫恒溫器會產(chǎn)生太多的振動，干擾了如此精確的測量，比他們可以接受的程度要大10000倍。
當(dāng)他們準(zhǔn)備在一個新的，不震動的低溫恒溫器中測試他們的原型時，設(shè)計他們把振動問題轉(zhuǎn)化為一個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，這讓我們能夠測量出低溫恒溫器產(chǎn)生了多少振動，”Shaw說。“這是一種在原地振動測試的方法，在而利用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行測量。”
靜電力天平
最后，該團(tuán)隊正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實驗，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。
這個實驗，目前設(shè)計為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)建一個可測量的力。但不是使用一個干涉儀，EFB是利用一個電容器來測量靜電力，是兩個同心圓筒組成的板。在真空中，研究人員從鏡面反射1瓦特激光，然后利用電容器測量力。
作為一個更小的激光傳感器，這些測量中使用的激光是不會丟失的，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瓦特激光對應(yīng)納牛頓。如果你把雙原子分開，需要幾個納牛頓的力(10e-9)。”
Shaw說，能夠使用基本的一個物理原理進(jìn)行精確測量力，這是很令人興奮的，激光功率在如此大的范圍，從毫克量級的物體到原子之間的相互作用。“因為還處于基本的研究階段，對于開發(fā)新的方法會有一個小的空間，并且要用不同的方式進(jìn)行思考問題，”Shaw說。
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