为什么吉他弦振动几百次就会停下来，而纳米弦却超过30万次？

“挤压”在物理学中的用途之一是提高测量仪器的分辨率，它允许以能够更灵敏地检测较小信号的方式抑制干扰噪声。由康斯坦茨大学物理学家伊娃·韦格教授领导的团队，现在已经能够展示如何用比现有方法简单得多的方法来测量这种压缩态。此外，新方法允许在以前不可能进行这种测量的系统中检查压缩态，其研究成果发表在《物理评论X》期刊上。

在纳米力学小组的实验中，对振动纳米机械弦谐振器的热涨落进行了压缩。纳米弦可以被认为是一根很小的吉他弦，比人的头发细一千倍，短一千倍。纳米机械系统，如正在研究的纳米线，是高精度测量仪器很有前景的候选者。然而，它们在室温下的灵敏度有限。热能会引起热噪声，即弦的抖动，从而限制了测量精度。系统在室温下这种不受控制的振动，是建立在热力学均分定理的基础上，热力学均分定理是经典物理的基本原理。

因此，热噪声在所谓相空间的每个方向上必须相等大，即形成圆形分布。研究人员在这种热噪音的基础上增加了一个强大驱动力，就这样，绳子被狠狠地敲打了一下。如果弦偏转得足够远，它将停止线性行为。这意味着使弦偏转的力，不再与将其拉回其原始位置的力成正比。由于违反了时间反转对称性，强驱动改变了热涨落。在相空间中，它们不再看起来像一个圆，而是一个椭圆：至少在一个方向上，它的直径，即噪音，变得明显地小了-它被挤压了。

几百次和30万次

理论上事先就知道这是必须发生的，但从来没有如此清晰地测量过，因为这是一个相对微妙的效应。然而，将压缩态直接映射到相空间的方法并不总是有效。这也适用于康斯坦茨研究人员研究的纳米线。传统的吉他弦一旦被拨动，只来回摆动几百次就会再次安静下来，而纳米弦的振动超过30万次。然而，这种高的“机械质量”也使管柱对干扰非常敏感，例如最小的温度波动。在这些系统中，将压缩态测量为相空间中的椭圆是不可能的。

因此，研究人员测量中追求的是一个不同的概念，不在整个相空间中检查噪声，而是仅根据其中出现的频率进行频谱解析。除驱动器频率外，频谱还显示另外两个频率分量，一个在驱动器的左侧，一个在驱动器的右侧，它们被指定为热噪声。康斯坦茨大学的理论物理学家Gianluca Rastelli博士和Wolfgang Belzig教授以及密歇根州立大学Mark Dykman教授也参与了这项研究，准确地预测了这种更多频率的发生。

以前从来没有人看到过如此美丽的景象，这与研究团队所用的机械质量如此之高，以至于能够以水晶般的清晰度来解决它有关。因此，这也是第一次可以看到这两个信号的高度不同。在与Gianluca Rastelli的密切合作下，Huber能够证明这两者之间的强度差异（面积的比率）是压缩参数的直接测量，即噪音被压缩的程度。物理学家魏格和戴克曼形容这种方法“根本上很简单”，这种方法不仅可以在像这里这样的机械系统中进行挤压测量，而且可以在广泛的系统中进行挤压测量。

关键是它们具有高质量和强大的驱动力，甚至还有与量子力学系统的联系。此外，正如Eva Weig和Wolfgang Belzig一致强调的那样：实验和理论之间有一种迷人的一致性。测量数据精确地符合康斯坦茨大学和密歇根州立大学理论物理同事开发的模型。

博科园｜研究/来自：康斯坦茨大学

参考期刊《物理评论X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021066

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