Investigadores del Instituto Niels Bohr han introducido un nuevo tipo de resonador nanomecánico, en el que un patrón de agujeros localiza las vibraciones en una pequeña región en una membrana de 30 nm de espesor. El patrón suprime drásticamente el acoplamiento a fluctuaciones aleatorias en el medio ambiente, aumentando laLa coherencia de las vibraciones. La comprensión cuantitativa y los modelos numéricos de los investigadores proporcionan un modelo versátil para dispositivos nanomecánicos ultracoherentes. Entre otros, esto permite que una nueva generación de sensores nanomecánicos exploren los límites cuánticos de las mediciones mecánicas y la microscopía de fuerza más sensible. Los resultados se publicanen la revista científica, Nanotecnología de la naturaleza .
Los dispositivos micro y nanomecánicos son omnipresentes en la ciencia y la tecnología: hacen funcionar los relojes, permiten que los teléfonos inteligentes y los automóviles detecten la aceleración y proporcionan el elemento básico del que dependen los microscopios de fuerza atómica AFM y sus sofisticados derivados.Los dispositivos también se han convertido en el centro de atención de la ciencia cuántica. Los experimentos con los sensores mecánicos más avanzados ahora sondean los límites cuánticos fundamentales para medir las fuerzas, probando predicciones de hace una década y recientemente relevantes de la comunidad de detección de ondas gravitacionales. Los dispositivos mecánicos cuánticos también están preparadosdesempeñar un papel en las tecnologías de computación y comunicación cuántica, por ejemplo, como memoria o elementos de interfaz
Una característica crucial de los dispositivos mecánicos en estas aplicaciones es su coherencia: esencialmente cuantifica cuánto o preferiblemente, poco la dinámica del movimiento se ve perturbada por fluctuaciones aleatorias en el entorno. Para un resonador mecánico que oscila a la frecuencia f, una alta calidadEl factor Q indica una alta coherencia por definición, Q / 2pf es el tiempo de almacenamiento de energía del resonador. Al mismo tiempo, las fuerzas de medición se benefician de una pequeña masa en movimiento m. Luego, las fuerzas más pequeñas tienen un impacto más significativo en el movimiento del sensor.Sin embargo, desafortunadamente, estos requisitos pueden ser contradictorios: investigaciones anteriores han demostrado que una masa baja m a menudo implica un Q bajo y viceversa.
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Ahora los investigadores dirigidos por Albert Schliesser, profesor del Instituto Niels Bohr, han introducido un nuevo tipo de resonador nanomecánico que desafía esta regla heurística. Se basa en una membrana de nitruro de silicio estirada sobre un marco de silicio como el parche de un timpano. Sin embargo, sulas dimensiones laterales están solo en el rango de milímetros, y es tan delgado como unas pocas decenas de nanómetros. Su característica distintiva es un patrón de agujeros grabado a través de la membrana. La periodicidad del patrón da lugar a una banda prohibida fonónica, es decir, un rango de frecuenciaen el que las ondas elásticas no pueden propagarse. Esto permite confinar las vibraciones, cuya frecuencia cae en este rango, a una isla central sin agujeros, lo que se conoce como el defecto. Dado el pequeño tamaño del defecto, la masa vibrante asciende a solo unpocos nanogramos.
Fundamentalmente, el patrón de agujeros también aumenta el factor Q de las vibraciones del defecto de dos formas complementarias, como explica Albert Schliesser: "Por un lado, evita la pérdida de energía vibratoria por la propagación de las ondas elásticas, esto era bien conocido. Por otro lado, la parte perforada de la membrana todavía se puede mover suavemente, y así proporcionar una transición suave entre el defecto vibratorio y el marco necesariamente estático del dispositivo. "Tal sujeción suave constituye un nuevo tipo de condición límite para una mecánicaelemento compatible, a diferencia de varias formas - 'deslizante', 'clavado', 'sujeto' y 'libre' - conocidas en los libros de texto de ingeniería mecánica. Y es exactamente esta sujeción suave la que aumenta enormemente el factor Q a través de un efecto llamado disipaciónDe hecho, los factores de calidad alcanzados de más de 200 millones no tienen precedentes para los resonadores en frecuencias de megahercios. Lo más notable es que estas cifras se logran a temperatura ambiente. La sabiduría convencional sugiere que resonatoLos fabricados con cualquiera de los materiales más utilizados, como el cuarzo, el silicio o el diamante, no pueden lograr productos tan altos de frecuencia y factor de calidad, a menos que se enfríen criogénicamente."Sin embargo, con el proceso de fabricación correcto, nuestro enfoque puede, en principio, aplicarse a resonadores de cualquier material y, por lo tanto, aumentar la Q", dice la estudiante de doctorado Yeghishe Tsaturyan, quien fabricó los dispositivos en las instalaciones de nanofabricación de Danchip.
Una nueva generación de sensores cuánticos
"Esto hace que este estudio sea particularmente útil", agrega Albert Schliesser, "con nuestro modelo y simulaciones numéricas, ahora tenemos un enfoque determinista pero versátil para diseñar y construir resonadores extremadamente coherentes. Esto solía ser más un arte oscuro".Ahora puedes tomarlo y adaptarlo a tus necesidades ".
Pero la coherencia récord de los dispositivos creados en el presente trabajo ya es atractiva para una serie de aplicaciones. Especialmente los experimentos en optomecánica cuántica se beneficiarán enormemente de la coherencia mejorada casi 100 veces, en comparación con los resonadores de membrana de primera generación.Se espera que las fuerzas asociadas con las fluctuaciones del vacío cuántico sean extremadamente prominentes, lo que permitirá estudios detallados de sus efectos también en entornos complejos y, eventualmente, a temperatura ambiente. Esto permitirá nuevas investigaciones de los límites cuánticos para las mediciones de fuerza y desplazamiento, conceptos de gran relevancia sobre todo parael diseño de detectores de ondas de gravedad.
Otra vía de interés es utilizar las membranas en microscopios de fuerza de resonancia magnética MRFM. Al igual que un AFM, estos instrumentos se basan en una medición de fuerza y logran una resolución espacial extrema a escala nanométrica. A diferencia del AFM, las imágenes MRFM magnéticaspropiedades de la muestra, comparables a los escáneres de resonancia magnética conocidos por el uso clínico. En todo su potencial, MRFM promete nada menos que imágenes en 3D químicamente selectivas de, por ejemplo, un virus en resolución molecular. Esto permitiría nuevos conocimientos sobre la estructura y función desistemas biológicos a escala molecular. Los resonadores perforados introducidos en el Instituto Niels Bohr podrían ayudar a alcanzar este objetivo.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias - Universidad de Copenhague . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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