【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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)。

　　
　　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。
　　
　　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行實時的測量。
　　
　　芯片大小的天平
　　
　　由該研究團隊開發(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。測量靈敏度的佳方法是將一個的力施加到懸臂上，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)，如果從表面進行反射激光，有一個相對簡單的方法基于激光功率來進行計算力的大小。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)的方法很難進行測量。”
　　
　　靜電力天平
　　
　　后，該團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行測量力，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行思考問題，”Shaw說。
　　
　　（原標(biāo)題：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光新用途 測量微力大小）