纳米电机械与光机械系统

zqyin — Fri, 25 Apr 2008 22:53:27 -0700

微米电机械(MEMS)系统广泛用于各种传感器和电路系统。随着技术的发展，系统进一步缩小，现在人们已经开始研究纳米电机械（NEMS）系统了。
　　
　　为什么要研究发展NEMS系统？因为人们希望对微小的力和位移进行测量。超导器件约瑟夫森结中电流的震荡，迈克耳逊干涉仪等都可以归结为对微小位移的测量。集成化的NEMS系统能够对10^-21克的质量和10^-21牛顿的力进行测量。这么灵敏的探测器可以帮助我们测量单个核子的核自旋，进而对大分子的三维结构能够进行实时测量。
　　
　　NEMS系统中的振子频率一般高达几十兆赫兹，最高的频率达到10^9赫兹。振子的震动是与电场耦合着的，可以受电场控制。纳米光机械系统（NOMS）也与此类似，不过与机械振子耦合的不是电场，而是光场。与NEMS不同，NOMS也可以用作光学器件，完成一些非线性光学的实验，或者作为一些特殊的光源。
　　
　　目前大家最关心的问题是如何冷却这个振子，希望能够能却到能量的基态。对于不同震动频率的振子，基态对应的温度不同。对10^9赫兹的振子来说，温度也在50毫开尔文。随着振动频率的降低，临界温度也随之降低。因此对于一般的NEMS系统来说，是无法通过降低环境温度使得它处于基态的。只能主动的冷却它。最近2年来，这方面的实验进展比较大，但是并没有一个里程碑式的实验表明可以把振子冷却到了基态。
　　
　　除了用于超级灵敏的探测器，NEMS系统也可以用来检测基本的量子定律。我们希望当振子冷却到基态后能够看到许多奇特的量子现象，比如薛定谔猫态，量子纠缠态等。人们以前认为量子定律只能在微观系统中观测到。在介观乃至宏观系统中观测到典型的量子效应将是对量子定律的适用范围进一步扩展。另外，把这种器件用于量子信息处理也是一个可能的应用。
　　
　　可以断定，MEMS器件的应用将是量子力学全面渗入工程学的一个标志。这代表着量子力学创立近一个世纪后，终于全面的改变了工程师的工作模式，他们将不得不把普朗克常数熟记于心。我希望这一天很快到来，在量子力学百年庆典时，真正实现这一目标。从历史我们也可以看到，物理学的革命，只能出现于前一次革命的成果被工程学全部吸收，且大面积应用后才可能发生。只有量子力学全面渗入工程学，才可能进一步的超越它。

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