新方法实现振动信号的灵敏测量

  中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授领导的研究小组基于自建的弱力探测实验平台，在室温下实现了纳米机械振子的振动的精密测量。不同于已有的基于光、电、磁等的位移测量技术，该方法是通过力学的方式加以实现的，这种新的位移测量方法不仅能实现很高的测量灵敏度，还能够确保测量过程不会引入明显的力噪声，因此对未来开展低温下的极弱力信号和相关的基础物理研究有着潜在的应用价值。相关研究成果发表在5月31日出版的《物理评论快报》上。

  微纳尺度的机械谐振子，是用于探测弱力信号的最重要手段。通过将待测力信号转换为位移信号并加以测量，能轻松实现对该力信号的测量。为实现更高的力学灵敏度，需要采用尺寸更小的机械振子，然而如何探测这些微小谐振子的振动，就成为当前力探测面临的重要挑战之一。传统的测量振动的方法将振动转换为光、电、磁等信号，经过测量这些信号，实现高灵敏度的位移测量，然而这些手段的实现对被测机械振子的几何形状和尺寸有着苛刻的要求，从而难以直接应用到未来纳米甚至亚纳米尺度的机械振子运动的探测，潜在地制约了未来弱力探测研究的发展。

  杜江峰研究组采取了一种全新的方法实现振动的精密测量，该方法将位移信号转移为力信号，并通过灵敏的力探测手段进一步加以测量，由于力信号与位移的信号转换在原理上并不会对待测物体的结构、材料特性等性质有任何限制，从而该方法弥补了已有振动测量手段的不足。基于量子力学的基础原理，任何一个测量过程，都要对被测对象造成扰动和破坏，力学探测方法也不例外，然而理论分析表明，如果待测机械振子的频率低于探测机械振子的频率，探测过程就能保证在探测噪声小于被测对象的噪声的同时又不会引入多余力噪声。通过纳米微加工，杜江峰研究组制作了两个相互靠近的纳米机械振子，通过在两个机械振子之间施加特定的电压，实现了参数耦合，用实验验证了该方法，在探测灵敏度为

  该方法为针对怎么来降低位移探测引入的额外力噪声，以及如何探测纳米尺度的机械系统的振动这两个当前力探测领域的核心问题，提出了一条全新的解决思路，对将来实现低温下的

  力信号的探测有着潜在的意义。实现zN量级的弱力信号探测，将给基础和应用物理带来新突破，包括实现原子尺度引力效应，单核自旋磁共振成像等。