近日，由美国国家标准与技术研究所（NIST）和马里兰大学组件的联合量子研究所（JQI），结合光学和力学，研究出一种微观结构束，当光线照射时具有各种强大的用途。这些光学机械系统可以作为固有的精确的温度计，或者作为一种转移热量的光学屏蔽。该研究成果已发表在《科学》杂志。
图 量子温度计示意图
文章作者，联合量子研究所研究员Jake Taylor表示，“其实我们总是一直带着一堆温度计，有些提供温度读数，有些让你知道芯片是否过热或者电池是否过冷。温度计在飞机、汽车等运输系统系统中也至关重要。”但问题是，这些温度计就不够精确，需要校准或按某个标准调整。
该微观束由电子和光子界常用的氮化硅材料构成，氮化硅束基于基本物理学原理设计，无需校准或调整，长约20微米，透明，结构上具有一排空洞，以增强光学和机械特性。要使用该微观束作为温度计，研究人员必须能够测量光束中可能的最小振动。而光束振动的量与其周围环境的温度成比例，则可实现温度测量。
该文作者，NIST物理学家Tom Purdy解释说，“因为材料透明，所以光束可以沿着该结构照射进来。也可以发送声波。”研究人员认为，这些光束可以形成更好的温度计，而温度计在包括手机等各种设备中无处不在。
振动有两种来源。一是普通热源，例如气体分子通过光束或声波时产生的振动；二是纯粹的量子力学来源，即在原子尺度上控制物质行为的理论。当研究人员将光束或光子发射到氮化硅束时，会发生量子行为。光束撞击，机械光束反射光子，并在该过程中反弹，在光束中产生小的振动。有时这些基于量子的效应是用海森堡不确定性关系来描述的 - 光子反弹导致关于光束位置的信息，但是由于光子令光束振动，这就增加了光束速度的不确定性。
结合玻尔兹曼常数和普朗克常数的值，测量光束中更多的运动，研究人员便可以准确地推断环境温度。但量子波动比热振动弱一百倍，检测它们就像在淋浴中听到一个针头掉落。
实验中，研究人员使用了由NIST纳米科学和技术中心制造的最先进的氮化硅束。 Purdy解释说，通过在光束处照射高质量的光子并分析从光束射出的光子，我们看到了光输出中的量子振动。研究人员的测量方法非常灵敏，甚至能够测量到室温下的一些量子效应。
该技术的潜在应用包括基于芯片的电子和生物学温度传感器。尽管该温度计处于概念阶段，但研究人员认为该技术对于电子设备将有特殊价值，如无需校准的片上温度计，或者在生物学方面的应用等。
研究人员还研究利用该结构将热量从微机电器件的敏感部位释放出去。在他们提出的设置中，研究人员将光束包围在一个空腔中，一对镜子来回反弹。 它们使用光来控制光束的振动，使得光束不能以其通常的方向对较冷的物体重新辐射热。
研究人员甚至设想使用光学控制的氮化硅束作为原子力显微镜（AFM）的尖端，检测表面力以建立原子尺度的图像。光学控制的AFM能够保持低温，并且性能更好。Taylor解释说，“这种做法可消除热运动，这样能够更容易的看到信号”。
T.P. Purdy, K.E. Grutter, K. Srinivasan and J.M. Taylor, Quantum correlations from a room temperature optomechanical cavity. Science. Published June 23, 2017. DOI: 10.1126/science.aag1407 http://dx.doi.org/10.1126/science.aag140
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