超紧凑电容可“听”到最微弱振动

来源：科技日报

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。

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。（科技日报记者 张佳欣）

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科学家们制成了一面纳米级的“鼓”，造出了一个间隙只有32纳米的微型电容器。这套装置以接近理论极限的精度，可以“听”到最微弱的振动，为制造新一代超灵敏传感器铺平了道路，也为开发新一代量子传感器奠定了坚实基础。它们能够探测到极其微弱的磁场、重力或频率信号，应用潜力巨大。研究团队还展示了另一种纯机械谐振器方案，可以在室温下工作，大大降低了未来应用的门槛，我们或许可以制造出更小、成本更低的超高精度测量仪器。