Un team di ricercatori della TU Delft è riuscito a progettare uno dei sensori a microchip più precisi al mondo. Il dispositivo può funzionare a temperatura ambiente, un "Santo Graal" per le tecnologie quantistiche e il rilevamento. Combinando la nanotecnologia e l'apprendimento automatico ispirati dalle ragnatele della natura, sono stati in grado di far vibrare un sensore nanomeccanico in un isolamento estremo dal rumore quotidiano. Questa svolta, pubblicata nei Materiali avanzati Rising Stars Issue, ha implicazioni per lo studio della gravità e della materia oscura, nonché per i campi di Internet quantistico, della navigazione e del rilevamento.

Una delle maggiori sfide per lo studio di oggetti vibranti su scala più piccola, come quelli utilizzati nei sensori o nell'hardware quantistico, è come impedire al rumore termico ambientale di interagire con i loro stati fragili. L'hardware quantistico, ad esempio, viene solitamente mantenuto a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15°C) e i frigoriferi costano mezzo milione di euro ciascuno. I ricercatori della TU Delft hanno creato un sensore a microchip a forma di ragnatela che risuona molto bene in isolamento dal rumore della temperatura ambiente. Tra le altre applicazioni, la loro scoperta renderà la costruzione di dispositivi quantistici molto più conveniente.

Autostop sull'evoluzione

Richard Norte e Miguel Bessa, che hanno guidato la ricerca, stavano cercando nuovi modi per combinare nanotecnologia e apprendimento automatico. Ma come è nata l'idea di usare le ragnatele come modello? Richard Norte:"Faccio questo lavoro già da un decennio quando durante il lockdown ho notato molte ragnatele sulla mia terrazza. Mi sono reso conto che le ragnatele sono davvero dei buoni rivelatori di vibrazioni, in quanto vogliono misurare le vibrazioni all'interno della tela per trovare la loro preda, ma non al di fuori di essa, come il vento attraverso un albero. Allora perché non fare l'autostop su milioni di anni di evoluzione e utilizzare una ragnatela come modello iniziale per un dispositivo ultrasensibile?"

Dal momento che il team non sapeva nulla delle complessità delle ragnatele, ha lasciato che l'apprendimento automatico guidasse il processo di scoperta. Miguel Bessa:"Sapevamo che gli esperimenti e le simulazioni erano costosi e richiedevano tempo, quindi con il mio gruppo abbiamo deciso di utilizzare un algoritmo chiamato ottimizzazione bayesiana, per trovare un buon progetto usando pochi tentativi". Dongil Shin, co-primo autore di questo lavoro, ha quindi implementato il modello del computer e applicato l'algoritmo di apprendimento automatico per trovare il nuovo design del dispositivo.

Sensore a microchip basato su ragnatele

Con sorpresa del ricercatore, l'algoritmo ha proposto una ragnatela relativamente semplice da 150 diversi modelli di ragnatela, che consiste in solo sei stringhe messe insieme in un modo ingannevolmente semplice. Bessa:"Le simulazioni al computer di Dongil hanno mostrato che questo dispositivo potrebbe funzionare a temperatura ambiente, in cui gli atomi vibrano molto, ma hanno comunque una quantità incredibilmente bassa di energia che fuoriesce dall'ambiente, un fattore di qualità superiore in altre parole. Con l'apprendimento automatico e ottimizzazione siamo riusciti ad adattare il concetto di ragnatela di Richard a questo fattore di qualità molto migliore."

Sulla base di questo nuovo design, il co-primo autore Andrea Cupertino ha costruito un sensore a microchip con una pellicola ultrasottile e spessa un nanometro di materiale ceramico chiamato nitruro di silicio. Il team ha testato il modello facendo vibrare con forza la "rete" del microchip e misurando il tempo impiegato dalle vibrazioni per fermarsi. Il risultato è stato spettacolare:una vibrazione isolata da record a temperatura ambiente. Norte:"Non abbiamo riscontrato quasi nessuna perdita di energia al di fuori della nostra rete di microchip:le vibrazioni si muovono in un cerchio all'interno e non toccano l'esterno. Questo è un po' come dare a qualcuno una sola spinta su un'altalena e farlo oscillare per quasi un secolo senza fermarsi."

Implicazioni per le scienze fondamentali e applicate

Con il loro sensore basato su ragnatela, i ricercatori mostrano come questa strategia interdisciplinare apra un percorso verso nuove scoperte scientifiche, combinando progetti di ispirazione biologica, apprendimento automatico e nanotecnologia. Questo nuovo paradigma ha implicazioni interessanti per l'internet quantistico, il rilevamento, le tecnologie dei microchip e la fisica fondamentale, esplorando ad esempio forze ultra-piccole, come la gravità o la materia oscura, notoriamente difficili da misurare. Secondo i ricercatori, la scoperta non sarebbe stata possibile senza la sovvenzione Cohesion dell'università, che ha portato a questa collaborazione tra nanotecnologie e apprendimento automatico. + Esplora ulteriormente

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