Non puoi sentire la maggior parte di loro, ma il mondo gira su diversi tipi di oscillazioni meccaniche. Per esempio, all'interno dell'orologio da polso elettronico medio c'è un contenitore sigillato contenente un risonatore a cristallo di quarzo lungo 3 mm. In risposta al feedback elettrico, il cristallo vibra continuamente di circa 33, 000 volte al secondo. La notevole stabilità di quella frequenza di risonanza, che fornisce il tasso di "tick" dell'orologio, ti tiene in orario.

"Ma nella fretta odierna di rimpicciolire, dispositivi più leggeri, lo spazio sul circuito stampato è molto prezioso, e i cristalli di quarzo sono grandi, caro, e fragile, " dice Jason Gorman del Physical Measurement Laboratory del NIST. "Quindi, negli ultimi 10 anni c'è stata una spinta per realizzare orologi in microscala, con un focus sui risonatori al silicio. L'obiettivo è sviluppare orologi in microscala che superino le prestazioni degli orologi al quarzo pur essendo 1/100esimo delle dimensioni e utilizzando una frazione della potenza".

Nel perseguimento di tale obiettivo, Gorman e il collega Vikrant Gokhale, utilizzando strutture realizzate su misura non più grandi di un quinto della larghezza di un capello umano, hanno ideato e testato un nuovo metodo che migliora sostanzialmente le prestazioni del risonatore al silicio, e può anche beneficiare di molti diversi tipi di sensori. Gli scienziati hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Lettere di fisica applicata .

Gli orologi richiedono un meccanismo che oscilli (ticchettio) quasi esattamente alla stessa velocità e forza nel tempo, se si tratta di un pendolo oscillante o di atomi che assorbono e rilasciano fotoni. La capacità di un risonatore di farlo con precisione è direttamente correlata al suo fattore di qualità (Q). Un risonatore ad alto Q è uno che rimane vicino a una singola frequenza e disperde pochissima energia nell'ambiente circostante; il suo segnale rimane forte e stabile nel tempo.

Nei dispositivi a microscala – fabbricati a dimensioni misurate in micrometri – un fattore chiave per il Q ottenibile è la quantità di energia vibrazionale assorbita dai minuscoli contrafforti o "cavi" che sospendono il risonatore dal substrato di supporto. I cavi sono progettati per riflettere quanta più energia vibrazionale possibile al risonatore, minimizzazione della dissipazione. La configurazione standard per un cavo è solo un raggio dritto di silicio solido.

Recentemente, altri ricercatori hanno impiegato cavi con una struttura più complessa basata sulla ripetizione della geometria. A seconda dell'ottimizzazione di questa geometria, questi legami possono consentire solo a determinate frequenze di vibrazioni quantizzate chiamate fononi di passare mentre riflettono altre indietro. (Questo è chiamato un bandgap acustico.) Pertanto, un cavo ideale di "cristallo fononico" (PnC) rifletterebbe la frequenza di risonanza del risonatore, mentre ne trasmette altri. "Poiché più energia vibrazionale è confinata all'interno del risonatore a causa dei riflessi del cristallo fononico, il fattore di qualità dovrebbe migliorare rispetto ai cavi a trave dritta, "dice Gokhale.

I primi esperimenti con PnC in diverse configurazioni di cavi da parte di altri hanno mostrato che il fattore di qualità potrebbe essere migliorato fino a un fattore tre. Però, altri meccanismi di dissipazione dell'energia, come lo stress alle interfacce tra più materiali e la dissipazione termoelastica negli elettrodi metallici, ha dominato il fattore qualità nei risonatori piezoelettrici utilizzati in questi test.

"Abbiamo deciso di andare oltre, " Dice Gorman. "Sapevamo che sviluppando un risonatore fatto di un unico materiale, silicio in questo caso, potremmo sbarazzarci della maggior parte degli altri meccanismi di dissipazione che limitano il fattore qualità." In questo modo si riduceva la dissipazione a pochi effetti inevitabili e piccoli rispetto alla dissipazione di energia tipicamente derivante dai cavi.

Utilizzando le capacità di nanofabbricazione del Center for Nanoscale Science and Technology del NIST, hanno creato array di cavi in ​​​​righe contenenti uno, tre, o cinque celle PnC", " e determinò che numeri più grandi aumentavano la riflettanza, e quindi migliorato il Q. I risultati non solo hanno superato di gran lunga le prestazioni delle barre di fissaggio convenzionali, ma si è avvicinato al limite fondamentale della dissipazione intrinseca per il materiale, ottenendo un Q più alto che mai registrato per il silicio a una frequenza di risonanza superiore a 100 MHz.

Oltre agli orologi micromeccanici, questo lavoro può avere ripercussioni su una serie di approcci sensoriali basati su risonatori. "I sensori risonanti sono comunemente usati per misurazioni sensibili di accelerazione, rotazione, forza, e cambiamenti di massa, e la sensibilità è proporzionale al Q ottenibile, "dice Gorman.

Come esempio, i sensori chimici risonanti si basano sul fatto che la frequenza centrale di un risonatore dipende dalla sua massa. Se una molecola di qualche tipo, come un inquinante, colpisce il risonatore e vi si attacca, cambia la frequenza di risonanza. La quantità di cambiamento dipende dalla massa della molecola, consentendo agli utenti di determinare le specie chimiche. "L'alto Q è importante nei sensori perché migliora la sensibilità ai cambiamenti nella frequenza di risonanza quando uno stimolo viene applicato al risonatore, " Dice Gokhale. Nuove tecnologie di sensori basate sul risonatore con cavi di cristallo fononico sono ora in fase di ricerca.