超紧凑电容可“听”到最微弱振动
据最新一期《先进材料技术》杂志报道，奥地利维也纳工业大学研究人员开发出一种超紧凑平行板电容结构，间隙仅为32纳米，刷新了同类结构的微型化纪录，并在测量精度上逼近量子物理极限。研究团队认为，这是测量技术的一次飞跃，表明相关纳米结构已具备开发新一代高精度量子传感器的关键条件，有望推动量子测量技术和高端精密仪器的发展。
具有平面线圈的纳米器件。图片来源：维也纳工业大学32纳米的间隙是一个可移动铝膜片与固定电极之间的距离，两者共同构成了一个极其紧凑的平行板电容器。这种结构面向高精度传感器设计，正是原子力显微镜等设备迫切需要的核心部件。
传统原子力显微镜通常依赖光学系统读取微小机械振动，但光学系统往往结构复杂、体积较大，且对环境稳定性要求较高，限制了系统的小型化和集成化。为突破这一瓶颈，研究团队采用电学和机械振荡方式替代光学读取方案。
此次研究中，纳米膜片与电极形成的电容与电感元件共同构成电学谐振电路。膜片的微小振动会引起电路共振频率的变化，从而实现对极微弱机械振动的高精度测量。
研究人员解释说，敲击一面鼓，鼓膜便会振动，其发出的声音可以反映鼓膜的张紧程度。纳米膜片的工作原理与此类似，其振动状态会受到外界微小作用力的影响，并通过谐振电路被灵敏地读取出来。该系统对振动变化极为敏感，其测量噪声已降低至仅受量子物理基本定律限制的水平。
除电学谐振方案外，团队还展示了另一种完全基于机械结构的测量平台。在这一方案中，不同的微机械谐振器被集成在同一芯片上，它们的振动可以相互耦合并传递信息。从量子理论的角度看，机械振动与电磁振荡在数学描述上具有等价性，这为量子传感提供了新的实现路径。
研究显示，这种纯机械系统可在室温条件下工作，并在千兆赫兹频率范围内实现有效耦合，避免了许多量子传感实验对极低温环境的依赖。
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