La dissipazione di energia è un ingrediente chiave nella comprensione di molti fenomeni fisici in termodinamica, fotonica, reazioni chimiche, fissione nucleare, emissioni di fotoni, o anche circuiti elettronici, tra gli altri.

In un sistema vibrante, la dissipazione di energia è quantificata dal fattore qualità. Se il fattore di qualità del risonatore è alto, l'energia meccanica si dissiperà a una velocità molto bassa, e quindi il risonatore sarà estremamente preciso nella misurazione o nel rilevamento di oggetti, consentendo così a questi sistemi di diventare sensori di massa e forza molto sensibili, così come eccitanti sistemi quantistici.

Prendere, Per esempio, una corda di chitarra e farla vibrare. La vibrazione creata nella corda risuona nel corpo della chitarra. Poiché le vibrazioni del corpo sono fortemente legate all'aria circostante, l'energia della vibrazione della corda si dissiperà in modo più efficiente nell'ambiente bagno, aumentando il volume del suono. Il decadimento è ben noto per essere lineare, in quanto non dipende dall'ampiezza vibrazionale.

Ora, prendi la corda della chitarra e riducila a dimensioni nanometriche per ottenere un risonatore nano-meccanico. In questi nanosistemi, è stato osservato che la dissipazione di energia dipende dall'ampiezza della vibrazione, descritto come un fenomeno non lineare, e finora nessuna teoria proposta ha dimostrato di descrivere correttamente questo processo di dissipazione.

In un recente studio, pubblicato in Nanotecnologia della natura , I ricercatori ICFO Johannes Güttinger, Adrien Noury, Pietro Weber, Camille Lagoin, Joel Moser, guidato dal Prof. all'ICFO Adrian Bachtold, in collaborazione con ricercatori della Chalmers University of Technology e dell'ETH di Zurigo, hanno trovato una spiegazione del processo di dissipazione non lineare utilizzando un risonatore nanomeccanico basato su grafene multistrato.

Nel loro lavoro, il team di ricercatori ha utilizzato un risonatore nanomeccanico a base di grafene, adatto per osservare gli effetti non lineari nei processi di decadimento energetico, e lo misurò con una cavità a microonde superconduttiva. Un tale sistema è in grado di rilevare le vibrazioni meccaniche in un brevissimo periodo di tempo oltre ad essere sufficientemente sensibile da rilevare spostamenti minimi e su una gamma molto ampia di ampiezze vibrazionali.

La squadra ha preso il sistema, lo ha forzato fuori equilibrio usando una forza motrice, e successivamente spense la forza per misurare l'ampiezza vibrazionale quando l'energia del sistema decadde. Hanno effettuato oltre 1000 misurazioni per ogni traccia di decadimento energetico e sono stati in grado di osservare che quando l'energia di un modo vibrazionale decade, il tasso di decadimento raggiunge un punto in cui cambia bruscamente a un valore inferiore. Il maggiore decadimento dell'energia a vibrazioni di ampiezza elevata può essere spiegato da un modello in cui la modalità di vibrazione misurata "ibrida" con un'altra modalità del sistema e decadono all'unisono. Questo è equivalente all'accoppiamento della corda della chitarra al corpo sebbene l'accoppiamento non sia lineare nel caso del nano risonatore al grafene. Al diminuire dell'ampiezza vibrazionale, la velocità cambia improvvisamente e le modalità si disaccoppiano, con conseguente tassi di decadimento relativamente bassi, quindi in fattori di qualità molto giganteschi superiori a 1 milione. Questo brusco cambiamento nel decadimento non è mai stato previsto o misurato fino ad ora.

Perciò, i risultati ottenuti in questo studio hanno mostrato che gli effetti non lineari nei risonatori nanomeccanici al grafene rivelano un effetto di ibridazione ad alte energie che, se controllato, potrebbe aprire nuove possibilità per manipolare gli stati vibrazionali, progettare stati ibridi con modalità meccaniche a frequenze completamente diverse, e studiare il moto collettivo di sistemi altamente accordabili.