科技日報記者 張佳欣
據最新一期《先進材料技術》雜志報道，奧地利維也納工業大學研究人員開發出一種超緊湊平行板電容結構，間隙僅為32納米，刷新了同類結構的微型化紀錄，并在測量精度上逼近量子物理極限。研究團隊認為，這是測量技術的一次飛躍，表明相關納米結構已具備開發新一代高精度量子傳感器的關鍵條件，有望推動量子測量技術和高端精密儀器的發展。
32納米的間隙是一個可移動鋁膜片與固定電極之間的距離，兩者共同構成了一個極其緊湊的平行板電容器。這種結構面向高精度傳感器設計，正是原子力顯微鏡等設備迫切需要的核心部件。
傳統原子力顯微鏡通常依賴光學系統讀取微小機械振動，但光學系統往往結構復雜、體積較大，且對環境穩定性要求較高，限制了系統的小型化和集成化。為突破這一瓶頸，研究團隊采用電學和機械振蕩方式替代光學讀取方案。
此次研究中，納米膜片與電極形成的電容與電感元件共同構成電學諧振電路。膜片的微小振動會引起電路共振頻率的變化，從而實現對極微弱機械振動的高精度測量。
研究人員解釋說，敲擊一面鼓，鼓膜便會振動，其發出的聲音可以反映鼓膜的張緊程度。納米膜片的工作原理與此類似，其振動狀態會受到外界微小作用力的影響，并通過諧振電路被靈敏地讀取出來。該系統對振動變化極為敏感，其測量噪聲已降低至僅受量子物理基本定律限制的水平。
除電學諧振方案外，團隊還展示了另一種完全基于機械結構的測量平臺。在這一方案中，不同的微機械諧振器被集成在同一芯片上，它們的振動可以相互耦合并傳遞信息。從量子理論的角度看，機械振動與電磁振蕩在數學描述上具有等價性，這為量子傳感提供了新的實現路徑。
研究顯示，這種純機械系統可在室溫條件下工作，并在千兆赫茲頻率范圍內實現有效耦合，避免了許多量子傳感實驗對極低溫環境的依賴。
總編輯圈點
科學家們制成了一面納米級的“鼓”，造出了一個間隙只有32納米的微型電容器。這套裝置以接近理論極限的精度，可以“聽”到最微弱的振動，為制造新一代超靈敏傳感器鋪平了道路，也為開發新一代量子傳感器奠定了堅實基礎。它們能夠探測到極其微弱的磁場、重力或頻率信號，應用潛力巨大。研究團隊還展示了另一種純機械諧振器方案，可以在室溫下工作，大大降低了未來應用的門檻，我們或許可以制造出更小、成本更低的超高精度測量儀器。
