Questa micrografia elettronica a scansione mostra un risonatore microelettromeccanico. Il risonatore è costituito da tre fasci di silicio a cristallo singolo fissati a entrambe le estremità. Il centro dei raggi è collegato a due azionamenti a pettine per l'azionamento e la trasduzione del movimento. La vibrazione fondamentale del raggio è nel piano dei pettini. Però, a frequenze più alte, il risonatore può muoversi con un movimento rotatorio attorno ai raggi centrali. Quando questi due moti vibrazionali interagiscono, si può indurre un moto periodico il cui spettro è costituito da una moltitudine di frequenze con uguale spaziatura, comprendente un pettine di frequenza. Questa immagine è stata scattata utilizzando un microscopio elettronico a scansione FEI Nova 600 Nanolab presso il Center for Nanoscale Materials. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
Una cosa è per gli umani perdere la cognizione del tempo, ma cosa succede quando i nostri orologi funzionano In un mondo sempre più interconnesso, i dispositivi devono essere più puntuali che mai. Per farli funzionare come ci aspettiamo, dipendono da un esercito di minuscoli, componenti vibranti.
Una scoperta di un team guidato da scienziati del Center for Nanoscale Materials (CNM), una struttura per gli utenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso l'Argonne National Laboratory, potrebbe in definitiva aiutare a migliorare tali componenti in una vasta gamma di dispositivi elettronici e persino creare dispositivi che imitano i processi biologici. I ricercatori hanno aperto la strada a un dispositivo micromeccanico che risponde ai segnali esterni in un modo completamente nuovo rispetto a quelli convenzionali. Il loro lavoro, condotto da un team che comprende cinque istituzioni tra cui Argonne, è stato recentemente pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .
"La novità è che se ecciti questo dispositivo risonatore nel modo giusto, la struttura vibra con uno spettro composto da più frequenze equidistanti, nonostante sia pilotato da una singola frequenza, " ha detto Daniel Lopez, capogruppo del gruppo Nanofabrication and Devices del Center for Nanoscale Materials.
Un tipico risonatore in un dispositivo elettronico risponde a un segnale con una frequenza corrispondente. Negli orologi da polso, Per esempio, un risonatore al quarzo vibra ad una frequenza specifica quando viene applicata una certa tensione, e quella vibrazione scandisce il tempo. Ma una rete di dispositivi multitasking potrebbe richiedere risposte a più di una frequenza, ed è qui che le cose si fanno complicate.
"Per ogni dispositivo in esecuzione a una frequenza specifica, hai bisogno di una fonte di temporizzazione, ", ha affermato il nanoscienziato del CNM Dave Czaplewski, l'autore principale del documento. "Avere più dispositivi in esecuzione a più frequenze rende il sistema molto più complesso."
Mentre un approccio comune a questo problema coinvolge più risonatori, più segnali o entrambi, i ricercatori hanno creato un unico, risonatore di microdimensioni in grado di generare più frequenze da un segnale. Questo insieme di frequenze è chiamato pettine di frequenza, così chiamato per il modo in cui le frequenze appaiono uniformemente distanziate, come i denti, quando tracciato su un grafico.
"La novità è che se ecciti questo dispositivo risonatore nel modo giusto, la struttura vibra con uno spettro composto da più frequenze equidistanti, nonostante sia pilotato da una singola frequenza, " ha detto Daniel Lopez, capogruppo del gruppo Nanofabrication and Devices di CNM e coautore del documento. "Invece di fabbricare un oscillatore specifico per ogni dispositivo, potresti fabbricare un singolo oscillatore in grado di produrre un segnale a tutte le diverse frequenze necessarie."
La ricerca è stata condotta in parte presso il CNM, dove i ricercatori hanno progettato il risonatore e utilizzato tecniche di caratterizzazione elettrica per misurarne le risposte. Il dispositivo di silicio, che non è più grande di pochi grani di sale messi in fila, ancora tre travi che si muovono insieme in due vibrazioni:un movimento oscillatorio da lato a lato e un movimento di torsione. I ricercatori hanno usato questa dualità per generare il pettine di frequenza.
"Usiamo l'interazione tra queste due vibrazioni per ottenere questa risposta in frequenza che finisce per sembrare un pettine di frequenza, " Disse Czaplewski.
I pettini di frequenza sono più comunemente usati nel campo dell'ottica, dove sono costituiti da impulsi di luce laser e possono essere utilizzati per misurare il tempo con precisione. In un'altra applicazione, questo pettine meccanico di frequenza, i ricercatori hanno detto, può essere utilizzato per studiare un tipo specifico di dinamica nota come biforcazione SNIC (nodo sella su un cerchio invariante) in meccanica, sistemi ottici e biologici. In un contesto biologico, Per esempio, comprendere questo comportamento potrebbe aiutare nella progettazione di elementi micromeccanici che emulano il modo in cui i neuroni rispondono agli stimoli. La matematica che descrive le vibrazioni in questo risonatore è stata effettuata in collaborazione con un team di esperti nel campo della dinamica non lineare presso più università.
Il prossimo passo della ricerca, Lopez ha detto, sarà quello di riprodurre il fenomeno del pettine di frequenza in risonatori a frequenza più alta ed estendere il numero di "denti" - o frequenze - che possono essere generati.
