Katte-lignende hørelse med en enhed, der er ti billioner gange mindre end menneskets trommehinde

Forskere ved Case Western Reserve University er ved at udvikle atomisk tynde "trommeskinner", der er i stand til at modtage og transmittere signaler over et radiofrekvensområde, der er langt større end det, vi kan høre med det menneskelige øre.

Men trommeskinnet er titusindvis af billioner gange (10 efterfulgt af 13 nuller) mindre i volumen og 100, 000 gange tyndere end den menneskelige trommehinde.

Fremskridtene vil sandsynligvis bidrage til at gøre den næste generation af ultralav-effekt kommunikation og sensoriske enheder mindre og med større detektions- og tuningområder.

"Sansning og kommunikation er nøglen til en forbundet verden, " sagde Philip Feng, en lektor i elektroteknik og datalogi og tilsvarende forfatter på et papir om arbejdet offentliggjort 30. marts i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . "I de seneste årtier har vi er blevet forbundet med meget miniaturiserede enheder og systemer, og vi har stræbt efter konstant krympende størrelser for disse enheder. "

Udfordringen med miniaturisering:Også opnåelse af et bredere dynamisk område af detektion, for små signaler, såsom lyd, vibrationer, og radiobølger.

"Til sidst, vi har brug for transducere, der kan håndtere signaler uden at miste eller gå på kompromis med information på både 'signalloftet' (det højeste niveau for et uforvrænget signal) og 'støjgulvet' (det laveste påviselige niveau), " sagde Feng.

Selvom dette arbejde ikke var rettet mod specifikke enheder på markedet i øjeblikket, forskere sagde, det var fokuseret på målinger, grænser og skalering, hvilket ville være vigtigt for stort set alle transducere.

Disse transducere kan blive udviklet i løbet af det næste årti, men for nu, Feng og hans team har allerede demonstreret kapaciteten af ​​deres nøglekomponenter - atomlaget trommeskinner eller resonatorer - i den mindste skala endnu.

Værket repræsenterer det højeste rapporterede dynamiske område for vibrerende transducere af deres type. Til dato, denne rækkevidde var kun blevet opnået af meget større transducere, der arbejdede ved meget lavere frekvenser som den menneskelige trommehinde, for eksempel.

"Det, vi har gjort her, er at vise, at nogle i sidste ende miniaturiserede, atomisk tynde elektromekaniske trommeskiveresonatorer kan tilbyde et bemærkelsesværdigt bredt dynamisk område, op til ~110dB, ved radiofrekvenser (RF) op til over 120MHz, "Feng sagde." Disse dynamiske områder ved RF kan sammenlignes med det brede dynamiske område af menneskelig høreevne i lydbåndene. "

Ny dynamisk standard

Feng sagde, at nøglen til alle sansesystemer - fra naturligt forekommende sansefunktioner hos dyr til sofistikerede enheder inden for teknik - er det ønskede dynamiske område.

Dynamisk område er forholdet mellem signalloftet over støjgulvet og måles normalt i decibel (dB).

Menneskets trommehinder har normalt et dynamisk område på omkring 60 til 100dB i området fra 10Hz til 10kHz, og vores hørelse falder hurtigt uden for dette frekvensområde. Andre dyr, såsom den almindelige huskat eller hvidhval (se illustration), kan have sammenlignelige eller endnu bredere dynamiske områder i højere frekvensbånd.

De vibrerende nanoskala trommeskinner udviklet af Feng og hans team er lavet af atomlag af halvlederkrystaller (enkelt-, bi-, tri-, og firelags MoS2-flager, med en tykkelse på 0,7, 1,4, 2.1, og 2,8 nanometer), med diametre kun omkring 1 mikron.

De konstruerer dem ved at eksfoliere individuelle atomlag fra bulk-halvlederkrystallen og bruge en kombination af nanofabrikation og mikromanipulationsteknikker til at suspendere atomlagene over mikrohulrum foruddefineret på en siliciumwafer, og derefter skabe elektriske kontakter til enhederne.

Yderligere, disse atom tynde RF -resonatorer, der testes ved Case Western Reserve, viser fremragende frekvens "tunability, "hvilket betyder, at deres toner kan manipuleres ved at strække trommeskinnets membraner ved hjælp af elektrostatiske kræfter, svarende til lydindstilling i meget større musikinstrumenter i et orkester, sagde Feng.

Undersøgelsen afslører også, at disse utroligt små trommeskinner kun har brug for picoWatt (pW, 10^-12 Watt) op til nanoWatt (nW, 10^-9 Watt) niveau af RF-effekt for at opretholde deres højfrekvente svingninger.

"Ikke kun at have et overraskende stort dynamisk område med så lille volumen og masse, de er også energieffektive og meget 'støjsvage' enheder", Feng sagde, "Vi 'lytter' til dem meget omhyggeligt og 'taler' meget blidt til dem."