Un team di ricerca congiunto CEA / Università di Grenoble-Alpes, insieme a partner internazionali, ha sviluppato una tecnica diagnostica in grado di identificare problemi di prestazioni nei nanorisonatori, un tipo di nanorivelatore utilizzato nella ricerca e nell'industria. Questi sistemi nanoelettromeccanici, o NEMS, non sono mai stati utilizzati al massimo delle loro capacità. I limiti di rilevabilità osservati nella pratica sono sempre stati ben al di sotto del limite teorico e, fino ad ora, questa differenza è rimasta inspiegabile. Utilizzando un approccio totalmente nuovo, i ricercatori sono ora riusciti a valutare e spiegare questo fenomeno. I loro risultati, descritto nel numero del 29 febbraio di Nanotecnologia della natura , dovrebbe ora consentire di trovare il modo di superare questo deficit di prestazioni.
I NEMS hanno molte applicazioni, compresa la misurazione della massa o della forza. Come una piccola corda di violino, un nanorisonatore vibra a una precisa frequenza di risonanza. Questa frequenza cambia se le molecole di gas o le particelle biologiche si depositano sulla superficie del nanorisonatore. Questa variazione di frequenza può quindi essere utilizzata per rilevare o identificare la sostanza, consentire una diagnosi medica, Per esempio. Le dimensioni estremamente ridotte di questi dispositivi (meno di un milionesimo di metro) rendono i rivelatori altamente sensibili.
Però, questa risoluzione è vincolata da un limite di rilevamento. Il rumore di fondo è presente in aggiunta al segnale di misura desiderato. I ricercatori hanno sempre considerato questo rumore di fondo una caratteristica intrinseca di questi sistemi (vedi Figura 2). Nonostante i livelli di rumore siano significativamente maggiori di quanto previsto dalla teoria, l'impossibilità di comprendere i fenomeni sottostanti ha, fino ad ora, ha portato la comunità di ricerca a ignorarli.
Il team di ricerca CEA-Leti e i loro partner hanno esaminato tutte le misurazioni della stabilità di frequenza in letteratura, e ha identificato una differenza di diversi ordini di grandezza tra i limiti teorici accettati e le misurazioni sperimentali.
Oltre a valutare questo deficit, i ricercatori hanno anche sviluppato una tecnica diagnostica che potrebbe essere applicata a ogni singolo nanorisonatore, utilizzando i propri risonatori in silicio monocristallino di elevata purezza per indagare sul problema.
La frequenza di risonanza di un nanorisonatore è determinata dalla geometria del risonatore e dal tipo di materiale utilizzato nella sua fabbricazione. È quindi teoricamente fisso. Forzando il risonatore a vibrare a frequenze definite vicine alla frequenza di risonanza, i ricercatori CEA-Leti hanno potuto dimostrare un effetto secondario che interferisce con la risoluzione del sistema e il suo limite di rilevazione oltre al rumore di fondo. Questo effetto provoca leggere variazioni nella frequenza di risonanza. Queste fluttuazioni nella frequenza di risonanza derivano dall'estrema sensibilità di questi sistemi. Pur essendo in grado di rilevare piccoli cambiamenti di massa e forza, sono anche molto sensibili alle minime variazioni di temperatura e ai movimenti delle molecole sulla loro superficie. Alla nanoscala, questi parametri non possono essere ignorati in quanto impongono un limite significativo alle prestazioni dei nanorisonatori. Per esempio, un piccolo cambiamento di temperatura può modificare i parametri del materiale del dispositivo, e quindi la sua frequenza. Queste variazioni possono essere rapide e casuali.
La tecnica sperimentale sviluppata dal team consente di valutare la perdita di risoluzione e di determinare se è causata dai limiti intrinseci del sistema o da una fluttuazione secondaria che può quindi essere corretta. È stato richiesto un brevetto per coprire questa tecnica. Il team di ricerca ha anche dimostrato che nessuna delle ipotesi teoriche finora avanzate per spiegare queste fluttuazioni nella frequenza di risonanza può attualmente spiegare il livello di variazione osservato.
Il team di ricerca continuerà quindi il lavoro sperimentale per esplorare l'origine fisica di queste fluttuazioni, con l'obiettivo di ottenere un miglioramento significativo delle prestazioni dei nanorisonatori.
