Un professore, un ricercatore post-dottorato e uno studente laureato saltano su un trampolino.

No, non è l'inizio di una battuta. È una configurazione per la spiegazione della nuova ricerca guidata da Cornell che coinvolge il grafene, un materiale meraviglioso. Un gruppo guidato da Roberto De Alba, studente laureato in fisica, e Jeevak Parpia, professore e presidente del dipartimento di fisica, ha pubblicato un articolo in Nanotecnologia della natura riguardo ad un'altra applicazione per il versatile, fortissimo, materiale superleggero.

La loro carta, "Accoppiamento fonone-cavità sintonizzabile nelle membrane di grafene, " è stato pubblicato il 13 giugno e descrive la capacità di utilizzare la tensione del grafene come una sorta di mediatore tra i modi vibrazionali, consentendo il trasferimento diretto di energia da una frequenza all'altra. De Alba era l'autore principale.

Ora, torna al trampolino. Stabiliamo che il professore salti a un ritmo lento, il postdoc a un ritmo medio e lo studente laureato a un ritmo veloce. Rappresentano le modalità naturali del trampolino, che rappresenta il grafene.

Se il professore inizia per primo il suo salto lento, seguito dallo studente laureato a un ritmo molto più veloce, il postdoc – in virtù del salto già in atto – è costretto a saltare, al suo ritmo. Cosa c'è di più, i salti del professore diventano molto più alti di quanto non fossero inizialmente, mentre l'energia gli viene trasferita dai saltatori più veloci. Questo scenario in realtà non si svolgerà nel tuo cortile, ma si verifica nel grafene a causa del suo alto "modulo elastico" - una proprietà del materiale che significa che qualsiasi vibrazione causerà grandi cambiamenti alla tensione della membrana.

Applicando questo concetto, il gruppo fabbricava "tamburi" di grafene con diametri compresi tra 5 e 20 micrometri (1 milione di micrometri =1 metro). Questi tamburi possono essere messi in movimento sia da un campo elettrico alternato che dalle vibrazioni termiche casuali dei loro atomi costituenti (le stesse vibrazioni atomiche che definiscono la temperatura di un oggetto); il movimento viene rilevato tramite interferometria laser, un metodo ideato diversi anni fa alla Cornell nel gruppo di Harold Craighead. Craighead è il professore di ingegneria Charles W. Lake Jr. e collaboratore di questo lavoro.

La tensione esterna applicata alla membrana di grafene agisce come una sorta di "piolo di sintonia" per controllare la tensione della membrana e progettare l'accoppiamento necessario per controllare una modalità di oscillazione eccitando l'altra.

"Abbiamo dimostrato che esiste un effetto che converte l'energia da una modalità meccanica a un'altra modalità meccanica, " Ha detto De Alba. "Ci permette di smorzare o amplificare le vibrazioni di una modalità attivando l'altra modalità".

"Sei in grado di cambiare la frequenza fondamentale del movimento di questo oggetto ... essenzialmente il suo movimento termico, applicando semplicemente la tensione, " disse Parpia.

Il termine "cavità fononica" è stato scelto, De Alba ha detto perché l'effetto meccanico è simile a quello di una cavità ottica, che può essere utilizzato per convertire l'energia dalla luce laser in movimento meccanico. I fononi sono quasi-particelle usate per descrivere le vibrazioni nello stesso modo in cui i fotoni sono particelle di luce.

Questa scoperta apre la strada all'applicazione di risonatori meccanici al grafene nelle applicazioni di telecomunicazione, ad esempio come mixer di frequenza.

"E poiché il grafene è spesso solo un atomo, ha una massa così bassa che è un ottimo sensore di forza, sensore di gas o sensore di pressione, " Ha detto De Alba. "Potrebbe essere utilizzato nei laboratori di ricerca per studiare le forze ultra-deboli".

Inoltre, quando raffreddato vicino allo zero assoluto, questi risonatori possono svolgere un ruolo chiave nel rilevamento dei segnali quantistici più deboli e nell'identificare e sviluppare nuovi, tecnologie di telecomunicazione sicure.