Creatore di pettini:la vibrazione forzata di un wafer sottile mostra le regioni di oscillazione minima (blu scuro) e massima (rosso). Al massimo, lo spettro di oscillazione assume la forma di un pettine di frequenza. Credito:Università di Cambridge
Un dispositivo micromeccanico genera una serie di precisi, frequenze di vibrazione equidistanti, analogo alla luce del "pettine di frequenza ottica, " che ha notevolmente migliorato le misurazioni di precisione e potrebbe portare a progressi nella rilevazione di cambiamenti su scale temporali molto lunghe, come la misurazione di lenti cambiamenti nel campo gravitazionale terrestre.
L'invenzione del premio Nobel del pettine di frequenza ottica - luce il cui spettro contiene una serie di nitidi, picchi equidistanti – ha rivoluzionato il design degli orologi atomici e di altri dispositivi di alta precisione. I ricercatori hanno ora creato un pettine di frequenza fononica, in cui lo spettro delle vibrazioni di un cristallo segue lo stesso schema del pettine ottico. La scoperta conferma una recente previsione teorica e potrebbe essere utile per misurazioni di precisione che richiedono un standard a bassa frequenza, come quelli che comportano cambiamenti lenti.
I pettini di frequenza ottici hanno notevolmente semplificato e migliorato la misurazione del tempo di precisione, tra gli altri campi. Un modo per generare un pettine di frequenza ottica è tramite un mezzo "non lineare" in cui i fotoni interagiscono tra loro per generare nuovi fotoni a frequenze diverse da quelle dei fotoni iniziali. Questi effetti possono essere sfruttati per creare luce il cui spettro contiene una serie di molte frequenze equidistanti.
Adarsh Ganesan, Cuong Do e Ashwin Seshia, con sede nel Centro di nanoscienze, non stavano cercando di creare un pettine di frequenze fononiche, l'equivalente vibrazionale del pettine ottico. Stavano studiando il comportamento dei fononi - le vibrazioni degli atomi in una struttura cristallina - in un wafer rettangolare di silicio, 1100 per 350 per 10 micrometri, ricoperto da un sottile strato di nitruro di alluminio, un materiale che vibra in risposta a una tensione applicata. Il wafer è stato fissato a una struttura di supporto in due punti, permettendogli di vibrare in risposta a una tensione applicata oscillante. Il team ha osservato le vibrazioni del wafer riflettendo la luce laser sulla sua superficie, consentendo loro di registrare sia il modello spaziale che le frequenze dei fononi con elevata precisione.
Quando hanno applicato la tensione oscillante a determinate frequenze, i ricercatori sono rimasti sorpresi dal fatto che la risposta del wafer avesse la forma di un pettine di frequenza in punti della superficie con la maggiore ampiezza di movimento. Per una frequenza di stimolo di 3,862 MHz, Per esempio, lo spettro di vibrazione del wafer ha mostrato diversi picchi separati da 2,6 kHz.
Alla ricerca di una spiegazione per questa sorprendente scoperta, i ricercatori si sono imbattuti in un argomento teorico del 2014 che descrive, in modo schematico, come generare un pettine di frequenza fononico. Peter Schmelcher dell'Università di Amburgo, Germania, e i suoi colleghi avevano studiato le cosiddette catene Fermi-Pasta-Ulam (FPU) - insiemi di masse collegate da molle la cui forza di richiamo dipende non solo dalla lunghezza di cui sono allungate ma anche dal quadrato e possibilmente dal cubo di quella lunghezza . Le vibrazioni della catena rappresentano fononi unidimensionali, e la non linearità consente a questi fononi di interagire e creare nuovi fononi a frequenze diverse. Schmelcher e i suoi colleghi hanno dimostrato che la vibrazione di un'estremità di una catena FPU a una frequenza di forzatura leggermente diversa dalla somma di due frequenze di risonanza genera un pettine di frequenza.
Il professor Seshia afferma che sebbene il modello FPU non sia in grado di catturare l'intera complessità del comportamento dei fononi in un wafer, lui e i suoi colleghi hanno scoperto che rappresentava molto bene i pettini di frequenza che osservavano. Come nel modello FPU, era importante che la frequenza di forzatura non fosse una somma esatta delle frequenze fononiche del wafer. Quando tale condizione è stata soddisfatta, è sorto uno spettro a pettine con la spaziatura prevista dalla teoria. Anche la variazione della risposta del pettine quando il team ha variato la frequenza e la potenza della vibrazione di forzatura ha seguito il modello FPU.
La principale difficoltà sperimentale era che una frequenza di forzatura fuori risonanza è inefficiente nell'eccitare i fononi nel wafer:un pettine di frequenza è sorto solo quando la potenza dell'oscillazione di forzatura ha superato un valore di soglia. Però, Il professor Seshia afferma che non dovrebbe essere difficile migliorare il design del dispositivo per eccitare più facilmente i pettini di frequenza.
Schmelcher concorda sul fatto che i nuovi esperimenti verifichino il meccanismo teorico proposto da lui e dai suoi colleghi. Nota inoltre che poiché un pettine di frequenza rappresenta un insieme aggiuntivo di fononi in grado di trasmettere energia vibrazionale nel wafer, può aprire nuovi modi per un dispositivo di assorbire l'energia vibrazionale e quindi migliorare la sua efficienza.
Il professor Seshia vede possibili applicazioni nei sistemi micro e nanoelettromeccanici in cui l'intervallo di frequenza di un pettine fornirebbe una frequenza standard precisa e stabile molto più bassa della frequenza dei fononi stessi. Potrebbe essere particolarmente prezioso, Aggiunge, per rilevare cambiamenti su scale temporali molto lunghe, come i gravimetri che misurano i lenti cambiamenti nel campo gravitazionale terrestre.
Questa ricerca è pubblicata in Lettere di revisione fisica .
