In un recente articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura , Joel Moser e i colleghi ICFO del gruppo di ricerca NanoOptoMechanics guidato dal Prof. Adrian Bachtold, insieme a Marc Dykman (Michigan University), relazione su un esperimento in cui un risonatore meccanico a nanotubi di carbonio mostra fattori di qualità fino a 5 milioni, 30 volte migliore dei migliori fattori di qualità misurati finora in nanotubi.

Immagina che l'ospite di una cena cerchi di attirare l'attenzione dei suoi ospiti dando un solo colpetto del suo cucchiaio di ostriche sul suo bicchiere di cristallo. Ora, immaginare, con stupore di tutti, che il cristallo vibri per parecchi lunghi minuti, producendo un suono squillante chiaro. Sicuramente gli ospiti si meraviglierebbero di questo tono cristallino quasi infinito. Alcuni potrebbero persino voler indagare sull'origine di questo fenomeno piuttosto che ascoltare il discorso dell'ospite.

Il segreto di un tale immaginario sistema a vibrazione continua risiede nel fatto che dissipa pochissima energia. La dissipazione di energia di un sistema vibrante è quantificata dal fattore qualità. Nei laboratori, conoscendo il fattore qualità, gli scienziati possono quantificare per quanto tempo il sistema può vibrare e quanta energia viene persa nel processo. Ciò consente loro di determinare quanto può essere preciso il risonatore nella misurazione o nel rilevamento di oggetti.

Gli scienziati utilizzano risonatori meccanici per studiare tutti i tipi di fenomeni fisici. Oggi, i risonatori meccanici a nanotubi di carbonio sono richiesti a causa delle loro dimensioni estremamente ridotte e della loro eccezionale capacità di rilevare oggetti su scala nanometrica. Sebbene siano ottimi sensori di massa e forza, i loro fattori di qualità sono stati alquanto modesti. Però, la scoperta fatta dai ricercatori dell'ICFO è un importante progresso nel campo della nanomeccanica e un entusiasmante punto di partenza per future tecnologie innovative.

Cos'è un risonatore meccanico?

Un risonatore meccanico è un sistema che vibra a frequenze molto precise. Come una corda di chitarra o una corda tesa, un risonatore di nanotubi di carbonio è costituito da un minuscolo, struttura a ponte vibrante (corda) con dimensioni tipiche di 1m di lunghezza e 1nm di diametro. Se il fattore di qualità del risonatore è alto, la corda vibrerà ad una frequenza molto precisa, consentendo così a questi sistemi di diventare sensori di massa e di forza accattivanti, ed eccitanti sistemi quantistici.

Perché questa scoperta è così importante?

Per molti anni, i ricercatori hanno osservato che i fattori di qualità diminuivano con il volume del risonatore, cioè minore è il risonatore minore è il fattore di qualità, ea causa di questa tendenza era impensabile che i nanotubi potessero esibire fattori di qualità giganteschi.

I giganteschi fattori di qualità che i ricercatori dell'ICFO hanno misurato non sono stati osservati prima nei risonatori a nanotubi principalmente perché i loro stati vibrazionali sono estremamente fragili e facilmente perturbabili quando misurati. I valori rilevati dal team di scienziati sono stati ottenuti mediante l'uso di un nanotubo ultra-pulito a temperature del criostato di 30 mK (-273,12 gradi Celsius, più fredde della temperatura dello spazio!) e impiegando un metodo a bassissimo rumore per rilevare minuscole vibrazioni velocemente riducendo il più possibile il rumore elettrostatico.

Joel Moser afferma che trovare questi fattori di qualità è stato difficile poiché "i risonatori a nanotubi sono enormemente sensibili alle cariche elettriche circostanti che fluttuano costantemente. Questo ambiente tempestoso influisce fortemente sulla nostra capacità di catturare il comportamento intrinseco dei risonatori a nanotubi. Per questo motivo, abbiamo dovuto scattare un gran numero di istantanee del comportamento meccanico del nanotubo. Solo alcune di queste istantanee hanno catturato la natura intrinseca della dinamica del nanotubo, quando la tempesta si placò momentaneamente. Durante questi brevi, momenti tranquilli, il nanotubo ci ha rivelato il suo fattore di altissima qualità".

Con la scoperta di fattori di così alta qualità da questo studio, Gli scienziati dell'ICFO hanno aperto un nuovo regno di possibilità per le applicazioni di rilevamento, ed esperimenti quantistici. Ad esempio, risonatori a nanotubi potrebbero essere utilizzati per rilevare singoli spin nucleari, che sarebbe un passo importante verso la risonanza magnetica (MRI) con una risoluzione spaziale a livello atomico. Per il momento, Adrian Bachtold commenta che "ottenere una risonanza magnetica a livello atomico sarebbe fantastico. Ma, per questo, dovremmo prima risolvere vari problemi tecnologici che sono estremamente impegnativi".