Energihenfald i grafenresonatorer

Energidissipation er en nøgleingrediens i forståelsen af ​​mange fysiske fænomener i termodynamikken, fotonik, kemiske reaktioner, nuklear fission, fotonemissioner, eller endda elektroniske kredsløb, blandt andre.

I et vibrerende system, energitabet kvantificeres ved kvalitetsfaktoren. Hvis kvalitetsfaktoren for resonatoren er høj, den mekaniske energi vil spredes med en meget lav hastighed, og derfor vil resonatoren være ekstremt nøjagtig til at måle eller registrere objekter, hvilket gør det muligt for disse systemer at blive meget følsomme masse- og kraftsensorer, samt spændende kvantesystemer.

Tage, for eksempel, en guitarstreng og få den til at vibrere. Den vibration, der skabes i strengen, resonerer i guitarens krop. Fordi kroppens vibrationer er stærkt koblet til den omgivende luft, energien fra strengvibrationen vil spredes mere effektivt ind i miljøbadet, øge lydstyrken. Henfaldet er velkendt for at være lineært, da det ikke afhænger af vibrationsamplituden.

Nu, tag guitarstrengen og krymp den ned til nanometer dimensioner for at opnå en nano-mekanisk resonator. I disse nanosystemer, energidissipation er blevet observeret at afhænge af vibrationens amplitude, beskrives som et ikke-lineært fænomen, og indtil videre er det ikke blevet bevist, at nogen foreslået teori beskriver denne spredningsproces korrekt.

I en nylig undersøgelse, udgivet i Natur nanoteknologi , ICFO-forskere Johannes Güttinger, Adrien Noury, Peter Weber, Camille Lagoin, Joel Moser, ledet af prof. ved ICFO Adrian Bachtold, i samarbejde med forskere fra Chalmers University of Technology og ETH Zürich, har fundet en forklaring på den ikke-lineære spredningsproces ved hjælp af en nano-mekanisk resonator baseret på flerlagsgrafen.

I deres arbejde, holdet af forskere brugte en grafenbaseret nano-mekanisk resonator, velegnet til at observere ikke-lineære effekter i energihenfaldsprocesser, og målte det med et superledende mikrobølgehulrum. Et sådant system er i stand til at detektere de mekaniske vibrationer på meget kort tid, ligesom det er følsomt nok til at detektere minimale forskydninger og over et meget bredt område af vibrationsamplituder.

Holdet tog systemet, tvang det ud af ligevægt ved hjælp af en drivkraft, og efterfølgende slået kraften fra for at måle vibrationsamplituden, efterhånden som systemets energi henfaldt. De udførte over 1000 målinger for hvert energihenfaldsspor og var i stand til at observere, at når energien i en vibrationstilstand henfalder, henfaldshastigheden når et punkt, hvor den ændrer sig brat til en lavere værdi. Det større energihenfald ved højamplitudevibrationer kan forklares med en model, hvor den målte vibrationstilstand "hybridiserer" med en anden tilstand af systemet, og de henfalder i forening. Dette svarer til koblingen af ​​guitarstrengen til kroppen, selvom koblingen er ikke-lineær i tilfældet med grafen nano-resonatoren. Når vibrationsamplituden falder, hastigheden ændrer sig pludselig, og tilstandene bliver afkoblet, resulterer i forholdsvis lave henfaldsrater, altså i meget gigantiske kvalitetsfaktorer over 1 mio. Denne pludselige ændring i henfaldet er aldrig blevet forudsagt eller målt før nu.

Derfor, resultaterne opnået i denne undersøgelse har vist, at ikke-lineære effekter i grafen nano-mekaniske resonatorer afslører en hybridiseringseffekt ved høje energier, hvis kontrolleret, kunne åbne op for nye muligheder for at manipulere vibrationstilstande, ingeniørhybridtilstande med mekaniske tilstande ved helt forskellige frekvenser, og at studere den kollektive bevægelse af meget afstembare systemer.