为了深入理解机器运转,科学家开发出用于测量和操纵隐形力的设备

   机械小金        


为了深入理解机器运转,科学家开发出用于测量和操纵隐形力的设备


夹紧装置及其工作原理的描述。


随着科学家们制造越来越小的机器,他们需要了解使这些机器运转的无形力量。


得益于当时UC Merced研究生Jake Pate的倡议,现在可以测量和操纵其中的一些力量。


佩特(Pate)于5月毕业,获得物理学博士学位。现在是科罗拉多州博尔德市国家标准技术研究所的博士后研究员,在自然科学学院的物理学教授杰伊·夏普(Jay Sharping)的带领下工作。在实验室期间,杰克(Jake)与澳大利亚科学家展示了一个关于卡西米尔效应的项目。该项目是两个金属物体彼此非常靠近但不接触时存在的力。


Pate解释说:“这股力量想将这两个物体推在一起。卡西米尔力足以改变物体的内在行为。”


他设计并制造了一个小圆锥体,当它在纳米级距离下靠近振动鼓时,就能停止振动。有了足够多的被称为“钳子”的精确点,科学家们就可以创造出新的形状和新的行为。


Sharping说:“这项工作对于微机电系统(MEMS)以及具有运动部件的微型机器而言极为重要。” MEMS的一些常见商业应用包括喷墨打印机;装有安全气囊的汽车加速计;游戏控制器、手机、数码相机和个人电脑中的加速度计;硅压力传感器,比如那些感知汽车轮胎压力的传感器;生物医学装置,例如支架;超声波传感器;还有微型扬声器,比如耳机和助听器里的那种。


Sharping说:“在过去的10年里,我们学会了使机器变得足够小,我们需要理解量子力学来理解它们是如何工作的,如果将两块材料放在一起,则它们所承受的力如果距离更远,将是无关紧要的。近距离来看,它们可能无法按照您希望的方式运行,因此使用它们构建的对象将无法按照您希望的方式运行。”


Pate的设备改变了这一点,尽管技术还没有完全跟上。


Pate说“您可以用它来做各种各样的事情,你可以增强鼓的强度,让它振动的时间更长,改变振动的形状,甚至完全停止它的振动——这是一种不用实际接触就能控制物体的方法。”


下一步将使用夹紧装置,看它是否可以增强卡西米尔力的灵敏度。


直到最近,研究人员还认为卡西米尔效应只会发生在非常低的温度下,比如绝对零度,但是佩特和他的团队证明了这种力也可以在室温下使用,并且具有深远的影响。


物理系主任Ajay Gopinathan教授说:“这项工作代表了精密测量和控制方面的重大进步。我们为物理系的学生和教师感到骄傲,他们做出了具有广泛影响的基础发现。”


他们的研究结果最近发表在《自然物理》上。


西澳大利亚大学的Michael Tobar教授说:“如果能够测量和操纵物体上的卡西米尔力,那么我们就有能力提高力敏感度并减少机械损耗,并有可能强烈影响科学和技术。要理解这一点,我们需要深入研究量子物理学的怪异之处。在现实中,完美的真空并不存在——即使在零温度的真空空间中,像光子这样的虚拟粒子也会忽明忽暗地存在。”


Pate在UC Merced加工车间制作微波腔时,对看不见的力量感到好奇,并注意到一些“奇怪的结果”。他与Tobar取得了联系,并推动了合作。


Sharping说:“Jack确实为他本人和我们的团队创造了这个机会,这对他,对我们和两所大学都非常重要。他是一个很好的例子,展示了我们的学生如何敢于去做那些别人可能没有尝试过的事情,比如向另一所大学寻求帮助。当更多的科学家相互交流时,科学才能发挥最大的作用。”

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