I ricercatori del Niels Bohr Institute hanno introdotto un nuovo tipo di risonatore nanomeccanico, in cui un pattern di fori localizza le vibrazioni in una piccola regione in una membrana spessa 30 nm. Il modello sopprime drasticamente l'accoppiamento alle fluttuazioni casuali nell'ambiente, aumentare la coerenza delle vibrazioni. La comprensione quantitativa dei ricercatori e i modelli numerici forniscono un modello versatile per dispositivi nanomeccanici ultracoerenti. Tra gli altri, ciò consente a una nuova generazione di sensori nanomeccanici di sondare i limiti quantistici delle misurazioni meccaniche, e microscopia di forza più sensibile. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica, Nanotecnologia della natura .

I dispositivi micro e nanomeccanici sono onnipresenti nella scienza e nella tecnologia:fanno ticchettare gli orologi, consentire a smartphone e auto di rilevare l'accelerazione, e fornire l'elemento di base su cui si basano i microscopi a forza atomica (AFM) e i suoi sofisticati derivati. Più recentemente, tali dispositivi sono stati anche al centro della scienza quantistica. Gli esperimenti con i sensori meccanici più avanzati ora sondano i limiti quantistici fondamentali per misurare le forze, prove decennali, nuove previsioni rilevanti dalla comunità di rilevamento delle onde gravitazionali. Anche i dispositivi meccanici abilitati quantistici sono pronti a svolgere un ruolo nelle tecnologie di comunicazione e informatica quantistiche, ad esempio come elementi di memoria o di interfaccia.

Una caratteristica cruciale dei dispositivi meccanici in queste applicazioni è la loro coerenza:quantifica essenzialmente quanto (o preferibilmente, poco) la dinamica del moto è perturbata da fluttuazioni casuali nell'ambiente. Per un risonatore meccanico oscillante alla frequenza f, un fattore Q di alta qualità indica un'elevata coerenza (per definizione, Q/2pf è il tempo di accumulo di energia del risonatore). Allo stesso tempo, la misurazione delle forze beneficia di una piccola massa in movimento m. Quindi forze più piccole hanno un impatto più significativo sul movimento del sensore. Sfortunatamente, però, questi requisiti possono essere contrastanti:la ricerca passata ha dimostrato che una massa bassa m spesso implica un basso Q e viceversa.

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Ora i ricercatori guidati da Albert Schliesser, Professore all'Istituto Niels Bohr, hanno introdotto un nuovo tipo di risonatore nanomeccanico che sfida questa regola euristica. Si basa su una membrana di nitruro di silicio tesa su un telaio di silicio come la pelle di un timpano. Eppure le sue dimensioni laterali sono solo nell'ordine dei millimetri, ed è sottile come poche decine di nanometri (Fig. 1). La sua caratteristica distintiva è un modello di fori incisi attraverso la membrana. La periodicità del pattern dà origine a un bandgap fononico, questo è, una gamma di frequenze in cui le onde elastiche non possono propagarsi. Ciò consente di confinare le vibrazioni, la cui frequenza rientra in questo intervallo, ad un'isola centrale priva di fori, che viene indicato come il difetto (Fig. 2). Date le ridotte dimensioni del difetto, la massa vibrante è di pochi nanogrammi.

In modo cruciale, lo schema dei fori aumenta anche il fattore Q delle vibrazioni del difetto in due modi complementari, come spiega Albert Schliesser:"Da un lato, previene la perdita di energia vibrazionale da parte di onde elastiche che si propagano - questo era ben noto. D'altra parte, la parte bucata della membrana può ancora muoversi dolcemente, e quindi fornire una transizione morbida tra il difetto vibrante e il telaio necessariamente statico del dispositivo." Tale bloccaggio morbido costituisce un nuovo tipo di condizione al contorno per un elemento meccanicamente cedevole, a differenza di varie forme—'scorrevole', 'appuntato', 'bloccato' e 'libero', noto ai libri di testo di ingegneria meccanica. Ed è esattamente questo bloccaggio morbido che aumenta enormemente il fattore Q tramite un effetto chiamato diluizione della dissipazione. i fattori di qualità raggiunti di oltre 200 milioni sono senza precedenti per i risonatori a frequenze megahertz. Più notevolmente, queste cifre si ottengono a temperatura ambiente. La saggezza convenzionale suggerisce che i risonatori realizzati con uno qualsiasi dei materiali ampiamente utilizzati come il quarzo, silicio, o diamante, non può raggiungere prodotti così elevati di frequenza e fattore di qualità, a meno che non siano raffreddati criogenicamente. "Però, con il giusto processo di fabbricazione, il nostro approccio può in linea di principio essere applicato a risonatori di qualsiasi materiale, e quindi aumentare la Q, " dice il dottorando Yeghishe Tsaturyan, che ha realizzato i dispositivi presso l'impianto di nanofabbricazione Danchip.

Una nuova generazione di sensori quantistici

"Ciò rende questo studio particolarmente utile, " aggiunge Albert Schliesser, "con il nostro modello e le simulazioni numeriche, ora abbiamo un deterministico, ma versatile approccio per progettare e costruire risonatori estremamente coerenti. Questa era più un'arte oscura. Ora puoi prenderlo e adattarlo alle tue esigenze."

Ma la coerenza record dei dispositivi creati nel presente lavoro è già attraente per una serie di applicazioni. Soprattutto gli esperimenti di optomeccanica quantistica trarranno enormi benefici dalla coerenza aumentata di quasi 100 volte, rispetto ai risonatori a membrana di prima generazione. Le forze associate alle fluttuazioni del vuoto quantistico dovrebbero essere estremamente importanti, consentendo studi dettagliati dei loro effetti anche in contesti complessi e, infine, temperatura ambiente. Ciò consentirà nuove indagini sui limiti quantistici alle misurazioni di forza e spostamento, concetti altamente rilevanti non da ultimo per la progettazione di rivelatori di onde gravitazionali.

Un'altra via di interesse è l'uso delle membrane nei microscopi a risonanza magnetica (MRFM). Simile a un AFM, questi strumenti si basano su una misurazione della forza, e raggiungere una risoluzione spaziale estrema su scala nanometrica. A differenza dell'AFM, MRFM immagini proprietà magnetiche del campione, paragonabili agli scanner MRI noti per l'uso clinico. Al suo pieno potenziale, MRFM promette immagini 3D chimicamente selettive di, Per esempio, un virus a risoluzione molecolare. Ciò consentirebbe nuove intuizioni sulla struttura e la funzione dei sistemi biologici su scala molecolare. I risonatori bucati introdotti presso l'Istituto Niels Bohr potrebbero aiutare ad avvicinarsi a questo obiettivo.