Il ceppo può essere utilizzato per progettare proprietà insolite su scala nanometrica. I ricercatori del laboratorio di Tobias Kippenberg all'EPFL hanno sfruttato questo effetto per progettare una nanostringa a bassissima perdita. Quando pizzicato, la corda vibra per minuti con un periodo di un microsecondo (equivalente a una nota di chitarra standard suonata per un mese). Usandolo come microfono ultrasensibile, i ricercatori sperano di essere in grado di rilevare il suono dei fotoni in un raggio laser. L'opera è pubblicata in Scienza .

Una lezione sulla gestione dello stress

Per un ingegnere meccanico, lo stress è di solito un fastidio. Gestito correttamente, però, può anche essere uno strumento potente:un corpo elastico risponde allo stress regolando la distanza tra i suoi atomi (deformazione), che può essere utilizzato per controllare le proprietà dei suoi elettroni. Un esempio di tale ingegneria della deformazione elastica è il moderno transistor, la cui velocità operativa è esaltata dalla sollecitazione del suo materiale di gate in silicio.

Lo stress può anche essere usato per ingegnerizzare le proprietà di un corpo elastico. Allungando una corda di chitarra, Per esempio, cambierà non solo il suo suono (la sua frequenza vibrazionale), ma anche il suo fattore di qualità (il numero di vibrazioni prodotte da un singolo pizzico). Questo effetto, nota come "diluizione per dissipazione, "indesiderabile in molti circoli musicali, ma in altri campi può essere un enorme vantaggio.

Più grande non è sempre meglio

Uno di questi campi è la nanomeccanica, dove il fattore di qualità di un oscillatore determina la sua utilità per applicazioni come il rilevamento della forza. Nell'ultima decade, gli oscillatori nanomeccanici tesi sono emersi come un paradigma importante a causa dei loro fattori di qualità anomala; però, questa tendenza non è tanto una scelta progettuale quanto un artefatto di grandi sollecitazioni prodotte naturalmente su scala nanometrica.

Armato di un potente set di strumenti presso il Centro di MicroNanotecnologia dell'EPFL, i ricercatori del laboratorio di Kippenberg hanno iniziato a progettare dispositivi nanomeccanici con stress deliberatamente potenziato e diluizione della dissipazione. Hanno scoperto che una corda è una geometria ideale per questo, sebbene il suo moto debba essere localizzato lontano dai suoi appoggi e co-localizzato con il suo profilo di sollecitazione interno.

Per soddisfare questi requisiti, i ricercatori hanno modellato la stringa in una struttura periodica in cui le vibrazioni potrebbero essere intrappolate attorno a un difetto centrale:un cristallo fononico. Per co-localizzare il ceppo, il difetto è accuratamente rastremato, e l'intero motivo è stampato su una stringa di circa 10 nm di spessore e 1 cm di lunghezza (l'equivalente di allungare il Golden Gate Bridge attraverso l'Oceano Pacifico).

Le misurazioni effettuate su dispositivi a nanostringa a temperatura ambiente rivelano modalità localizzate che vibrano a 1 MHz per decine di minuti, corrispondente a un fattore di qualità di 800 milioni. Trasposto su una corda di chitarra standard, una nota equivalente suonerebbe per un mese.

Ascolto di luce

Grazie alla loro piccola massa e ai fattori di estrema qualità, nanostringhe simili a quelle sviluppate nel laboratorio di Kippenberg dovrebbero avere un impatto importante sulle applicazioni di rilevamento tradizionali. Operati come sensori di forza, Per esempio, sono in grado di rilevare disturbi locali a livello di attonewton, equivalente all'attrazione gravitazionale tra gli esseri umani.

Un'applicazione interessante è quella di rilevare deboli forze luminose. Accoppiando una nanostringa a una guida d'onda ottica, Il laboratorio di Kippenberg ha recentemente dimostrato la capacità di rilevare il suono delicato dei fotoni che fluiscono in un raggio laser (ognuno dei quali impartisce una minuscola forza di pressione di radiazione alla corda). In una svolta sorprendente, hanno mostrato come questa misurazione potrebbe essere utilizzata per generare uno stato di luce non classico noto come luce schiacciata, che può essere utilizzato per aumentare la sensibilità di un interferometro ottico.

Ora stanno ponendo una domanda diversa:è possibile utilizzare lo stesso campo luminoso per rilevare le fluttuazioni del vuoto della nanostringa (una conseguenza della sua natura fononica)? "Il principio di indeterminazione di Heisenberg prevede che le due capacità siano commisurate, "dice Dalziel Wilson, uno degli autori dell'articolo. "Il funzionamento a questo cosiddetto limite quantistico standard offre la possibilità di raffreddare un oggetto meccanico di dimensioni tangibili dalla temperatura ambiente allo zero assoluto (il suo stato fondamentale di movimento), il punto di partenza per una miriade di esperimenti quantistici."