I ricercatori della TU Delft e della Brown University hanno progettato risonatori simili a corde in grado di vibrare più a lungo a temperatura ambiente rispetto a qualsiasi oggetto a stato solido precedentemente noto, avvicinandosi a ciò che attualmente è ottenibile solo a temperature prossime allo zero assoluto. Il loro studio, pubblicato su Nature Communications , spinge al limite la nanotecnologia e l'apprendimento automatico per realizzare alcuni dei sensori meccanici più sensibili al mondo.
Le nanostringhe di nuova concezione vantano i più alti fattori di qualità meccanica mai registrati per qualsiasi oggetto di bloccaggio in ambienti a temperatura ambiente; nel loro caso fissati su un microchip. Ciò rende la tecnologia interessante per l'integrazione con le piattaforme di microchip esistenti.
I fattori di qualità meccanica rappresentano la qualità con cui l'energia risuona da un oggetto vibrante. Queste corde sono appositamente progettate per intrappolare le vibrazioni e non lasciare fuoriuscire la loro energia.
"Immaginate un'altalena che, una volta spinta, continua a oscillare per quasi 100 anni perché non perde quasi nessuna energia attraverso le corde", afferma il professore associato Richard Norte.
E aggiunge:"Le nostre nanostringhe fanno qualcosa di simile, ma invece di vibrare una volta al secondo come un'altalena, le nostre corde vibrano 100.000 volte al secondo. Poiché è difficile che l'energia fuoriesca, significa anche che il rumore ambientale è difficile da penetrare, rendendo queste alcuni dei migliori sensori per ambienti a temperatura ambiente.
"Questa innovazione è fondamentale per studiare i fenomeni quantistici macroscopici a temperatura ambiente, ambienti in cui tali fenomeni erano precedentemente mascherati dal rumore. Mentre le strane leggi della meccanica quantistica sono solitamente visibili solo nei singoli atomi, la capacità delle nanostringhe di isolarsi dal calore quotidiano Il rumore vibrazionale consente loro di aprire una finestra sulle proprie firme quantistiche; stringhe composte da miliardi di atomi. Negli ambienti quotidiani, questo tipo di capacità avrebbe usi interessanti per il rilevamento basato sui quanti."
"Il nostro processo di produzione va in una direzione diversa rispetto a ciò che è possibile fare oggi con la nanotecnologia", ha affermato il dottor Andrea Cupertino, che ha guidato gli sforzi sperimentali. Le corde sono lunghe 3 centimetri e spesse 70 nanometri, ma ingrandite sarebbe l'equivalente di produrre corde di vetro per chitarra sospese per mezzo chilometro quasi senza abbassamento.
"Questo tipo di strutture estreme sono realizzabili solo su scala nanometrica dove gli effetti della gravità e del peso entrano in modo diverso. Ciò consente strutture che sarebbero irrealizzabili sulle nostre scale quotidiane ma che sono particolarmente utili nei dispositivi in miniatura utilizzati per misurare quantità fisiche come pressione, temperatura , accelerazione e campi magnetici, che chiamiamo rilevamento MEMS," spiega Cupertino.
Le nanostringhe sono realizzate utilizzando tecniche nanotecnologiche avanzate sviluppate presso la TU Delft, spingendo i limiti di come possano essere realizzate nanostrutture sospese sottili e lunghe. Una chiave della collaborazione è che queste nanostrutture possono essere realizzate in modo così perfetto su un microchip, che esiste una corrispondenza straordinaria tra simulazioni ed esperimenti, il che significa che le simulazioni possono fungere da dati per algoritmi di apprendimento automatico, piuttosto che da esperimenti costosi.
"Il nostro approccio prevedeva l'utilizzo di algoritmi di apprendimento automatico per ottimizzare la progettazione senza fabbricare continuamente prototipi", ha osservato l'autore principale, il dott. Dongil Shin, che ha sviluppato questi algoritmi con Miguel Bessa.
Per migliorare ulteriormente l'efficienza della progettazione di queste grandi strutture dettagliate, gli algoritmi di apprendimento automatico hanno utilizzato in modo intelligente le informazioni provenienti da esperimenti su stringhe più semplici e più corte per perfezionare i progetti di stringhe più lunghe, rendendo il processo di sviluppo economico ed efficace.
Secondo Norte, il successo di questo progetto è una testimonianza della fruttuosa collaborazione tra esperti di nanotecnologia e apprendimento automatico, sottolineando la natura interdisciplinare della ricerca scientifica all'avanguardia.
Le implicazioni di queste nanostringhe vanno oltre la scienza di base. Offrono nuovi percorsi promettenti per l'integrazione di sensori altamente sensibili con la tecnologia dei microchip standard, portando a nuovi approcci nel rilevamento basato sulle vibrazioni.
Sebbene questi studi iniziali si concentrino sulle corde, i concetti possono essere estesi a progetti più complessi per misurare altri parametri importanti come l’accelerazione per la navigazione inerziale o qualcosa che assomigli di più a una pelle vibrante per i microfoni di prossima generazione. Questa ricerca dimostra la vasta gamma di possibilità offerte dalla combinazione dei progressi della nanotecnologia con l'apprendimento automatico per aprire nuove frontiere nella tecnologia.
Ulteriori informazioni: Andrea Cupertino et al, Risonatori nanomeccanici su scala centimetrica con bassa dissipazione, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48183-7
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della Tecnologia di Delft
