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Un team di ricercatori dell'Università della Florida, guidato dal Dr. Philip Feng, in collaborazione con il Prof. Steven Shaw del Florida Institute of Technology, ha ora dimostrato un'amplificazione meccanica del segnale estremamente efficiente in risonatori meccanici su nanoscala operanti a radiofrequenza. I dispositivi impiegati in questa ricerca potrebbero essere i più piccoli risonatori meccanici che esibiscono amplificazione e il guadagno ottenuto è il più alto noto per tutti i dispositivi meccanici riportati fino ad oggi.
L'amplificazione dello spostamento è realizzata sulla base del "pompaggio parametrico o amplificazione parametrica" del movimento meccanico. L'amplificazione parametrica può essere ottenuta principalmente quando un parametro del sistema è modulato di due multipli della frequenza. Un semplice esempio di amplificazione parametrica è un bambino che gioca su un'altalena. Il bambino può periodicamente stare in piedi e accovacciarsi due volte in un unico periodo dell'altalena per aumentare o "amplificare" l'ampiezza dell'oscillazione senza che nessuno aiuti a spingere.
I ricercatori hanno realizzato l'amplificazione parametrica nei minuscoli dispositivi su scala nanometrica. Gli amplificatori parametrici meccanici a tamburo su scala nanometrica dimostrati in questa ricerca sono costituiti da un bisolfuro di molibdeno semiconduttore bidimensionale atomicamente sottile (MoS2 ) membrana dove lo spessore delle pelli è 0,7, 2,8, 7,7 nanometri con 1,8 micrometri di diametro e 0,0018–0,020 m 3 in volume. I nanotamburi sono fabbricati trasferendo nanosheet esfoliati da cristalli sfusi su microcavità per creare nanotamburi sospesi atomicamente sottili.
I ricercatori suonano i nanotamburi usando un laser a modulazione di ampiezza. Quando il laser "colpisce" delicatamente i nanotamburi, l'energia luminosa viene convertita in calore e lo stress termico può "riprodurre" o "pompare" parametricamente il dispositivo se l'attivazione termica ha una frequenza doppia rispetto alla frequenza di risonanza del dispositivo. Questo processo di pompaggio parametrico fa vibrare i nanotamburi con un'ampiezza maggiore, simile agli strumenti a percussione su scala molto più ampia. I ricercatori trovano gli effetti fototermici nel semiconduttore MoS2 i nanotamburi sono altamente efficaci rispetto ad altri ipotetici dispositivi su scala nanometrica composti da materiali semiconduttori tradizionali come il silicio grazie alle intriganti proprietà termiche, ottiche e meccaniche del MoS atomicamente sottile2 nanofogli.
I dispositivi su nanoscala mostrano enormi guadagni di amplificazione parametrica fino a 3600, il più alto guadagno parametrico misurato noto per tutti i risonatori meccanici su nano/microscala riportati fino ad oggi. Il gigantesco guadagno parametrico deriva dalla natura in definitiva sottile del dispositivo. I dispositivi hanno uno spessore paragonabile alla dimensione dell'atomo che porta al guadagno parametrico estremamente elevato in minuscoli dispositivi meccanici.
L'amplificazione parametrica altamente efficiente potrebbe essere adattata per rilevare movimenti meccanici ultrapiccoli. Nei dispositivi meccanici su scala nanometrica, è stato difficile disporre di un metodo di trasduzione del segnale di spostamento efficiente. Si è spesso collegato a circuiti elettronici, ma i segnali di spostamento sono spesso sovrapposti a uno sfondo elettrico molto più ampio e al rumore dell'elettronica di lettura. Utilizzando l'amplificazione parametrica, è possibile prima amplificare il segnale direttamente nel dominio meccanico prima della trasduzione elettrica, consentendoci di alleviare il rumore dell'amplificatore in eccesso.
L'ulteriore vantaggio dell'amplificazione parametrica è che l'amplificazione parametrica compensa la perdita di energia intrinseca dei risonatori, che confina la vibrazione meccanica all'interno di una larghezza di banda di frequenza molto stretta. Rispetto alla risposta in frequenza prima dell'amplificazione parametrica, nel risonatore su scala nanometrica sono stati dimostrati fattori di restringimento della larghezza di linea o della larghezza di banda fino a 180.000, migliorando notevolmente la capacità di selezionare la frequenza di risonanza. I ricercatori hanno spiegato che la larghezza di linea ridotta è fondamentale per alcune applicazioni, inclusa la costruzione di un orologio preciso, e quindi l'amplificazione parametrica dimostrata in questa ricerca aiuterebbe a costruire dispositivi di temporizzazione ad alte prestazioni.
I ricercatori credono fermamente che questo lavoro sarà di ampio e grande interesse e avrà un impatto significativo nelle aree dei materiali e dispositivi atomicamente sottili emergenti, dei sensori e attuatori nanoelettromeccanici (NEMS), del funzionamento parametrico dei risonatori su scala nanometrica e della nanomeccanica. I ricercatori possono anche aspettarsi che, se implementati con un'attenta progettazione e un migliore controllo ingegneristico, tali minuscoli dispositivi diventeranno un approccio potente e possibilmente un nuovo paradigma per la realizzazione di sensori ad alte prestazioni e altri dispositivi di elaborazione delle informazioni, sia nell'ingegneria classica che in quella quantistica, nella metrologia e altre applicazioni in cui l'amplificazione parametrica svolgerà un ruolo importante.
Questo lavoro è ora formalmente accettato in Recensioni di fisica applicata . + Esplora ulteriormente
