Rappresentazione artistica dei modelli di vibrazione di stringhe di silicio cristallino su scala nanometrica. Credito:Daniele Francaviglia
Stringere una corda, ad es. quando si accorda una chitarra, la fa vibrare più velocemente. Ma quando le corde sono di dimensioni nanometriche, l'aumento della tensione riduce o "diluisce" anche la perdita dei modi vibrazionali della corda.
Questo effetto, noto come "diluizione della dissipazione", è stato sfruttato per sviluppare dispositivi meccanici per le tecnologie quantistiche, in cui nanostringhe ingegnerizzate e tese con uno spessore di poche decine di strati atomici oscillano più di dieci miliardi di volte dopo essere state strappate solo una volta. L'equivalente su una chitarra sarebbe un accordo ascoltato per circa un anno dopo essere stato pizzicato.
I ricercatori dell'EPFL, guidati dal professor Tobias J. Kippenberg, hanno ora fatto una semplice osservazione sugli oscillatori a cristallo, che sono onnipresenti nei dispositivi elettronici e sono noti per possedere una perdita di energia meccanica estremamente piccola a bassa temperatura. I ricercatori hanno dimostrato che, se un materiale cristallino con uno spessore su scala nanometrica viene allungato ad alta tensione e mantiene il suo ordine atomico, sarebbe un buon candidato per realizzare corde con vibrazioni acustiche di lunga durata. Lo studio è pubblicato su Nature Physics .
"Abbiamo scelto pellicole di silicio tese perché si tratta di una tecnologia consolidata nell'industria elettronica, dove vengono utilizzate per migliorare le prestazioni dei transistor", afferma il dott. Nils Engelsen, uno degli autori dell'articolo. "Le pellicole di silicio tese sono quindi disponibili in commercio con spessori estremamente ridotti di circa 10 nanometri."
Una sfida importante è che le nanostring dovrebbero avere proporzioni estreme. In questo documento, i dispositivi nanomeccanici sono spessi 12 nanometri e lunghi fino a 6 millimetri. Se una tale nanostringa fosse costruita in piedi, con un diametro di fondazione uguale a quello della torre del Burj Khalifa, la sua punta supererebbe l'orbita terrestre media, dove i satelliti GPS circondano la Terra.
"Queste strutture diventano fragili e suscettibili a minuscole perturbazioni durante le ultime fasi della loro microfabbricazione", afferma Alberto Beccari, Ph.D. studente nel laboratorio di Kippenberg e primo autore dell'articolo. "Abbiamo dovuto rinnovare completamente il nostro protocollo di fabbricazione per poterli sospendere senza un crollo catastrofico."
Le nanostringhe di silicio tese sono particolarmente interessanti per gli esperimenti di meccanica quantistica, dove il loro basso tasso di dissipazione fornisce un eccellente isolamento dai disturbi ambientali, consentendo la creazione di stati quantistici di elevata purezza.
"Una ricerca di lunga data nella fisica fondamentale è studiare ed estendere le dimensioni e le scale di massa degli oggetti che mostrano un comportamento quantomeccanico, prima che i 'calci' casuali e le fluttuazioni sempre crescenti dell'ambiente caldo e rumoroso li costringano a comportarsi secondo alle leggi della meccanica newtoniana", afferma Beccari. "Effetti quantomeccanici sono già stati osservati con risonatori meccanici della stessa dimensione e massa, a temperature prossime allo zero assoluto.
"Inoltre, queste nanostringhe potrebbero essere utilizzate come sensori di forza di precisione, essendo soggette a tutti i tipi di interazioni, ad esempio alla minuscola pressione di radiazione dei fasci di luce, alle interazioni deboli con le particelle di materia oscura e ai campi magnetici prodotti dalle particelle subatomiche. " + Esplora ulteriormente
