En enhed, mange frekvenser:Forskere skaber en unik, lille resonator

Det er én ting for mennesker at miste overblikket over tid, men hvad sker der, når vores ure gør det i en verden med stadig mere netværk, enheder skal være mere punktlige end nogensinde før. For at holde dem kørende, som vi forventer, de er afhængige af en hær af små, vibrerende komponenter.

Et fund fra et hold ledet af forskere ved Center for Nanoscale Materials (CNM), en US Department of Energy (DOE) brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory, kunne i sidste ende hjælpe med at forbedre sådanne komponenter i en række elektronik og endda skabe enheder, der efterligner biologiske processer. Forskerne har været banebrydende for en mikromekanisk enhed, der reagerer på eksterne signaler på en helt ny måde sammenlignet med konventionelle. Deres arbejde, udført af et team, der spænder over fem institutioner, herunder Argonne, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Nyheden her er, hvis du exciterer denne resonatorenhed på den rigtige måde, strukturen vibrerer med et spektrum bestående af flere frekvenser jævnt fordelt, på trods af at den er drevet af en enkelt frekvens, " sagde Daniel Lopez, gruppeleder for Center for Nanoskala Materialers gruppe Nanofabrikation og Devices.

En typisk resonator i en elektronisk enhed reagerer på et signal med en tilsvarende frekvens. I armbåndsure, for eksempel, en kvartsresonator vibrerer ved en bestemt frekvens, når en bestemt spænding påføres, og den vibration markerer tiden. Men et multitasking-netværk af enheder kan kræve svar på mere end én frekvens, og det er der, tingene bliver vanskelige.

"For hver enhed, der kører med en bestemt frekvens, du har brug for en timingkilde, " sagde CNM nanoforsker Dave Czaplewski, avisens hovedforfatter. "At have flere enheder kørende ved flere frekvenser gør systemet meget mere komplekst."

Mens en fælles tilgang til dette problem involverer flere resonatorer, flere signaler eller begge dele, forskerne skabte en enkelt, mikrostørrelse resonator, der kan generere flere frekvenser fra et signal. Dette sæt af frekvenser kaldes en frekvenskam, så opkaldt efter den måde, hvorpå frekvenserne fremstår jævnt fordelt, som tænder, når det er plottet på en graf.

"Nyheden her er, hvis du exciterer denne resonatorenhed på den rigtige måde, strukturen vibrerer med et spektrum bestående af flere frekvenser jævnt fordelt, på trods af at den er drevet af en enkelt frekvens, " sagde Daniel Lopez, gruppeleder for CNM's Nanofabrication and Devices-gruppe og en medforfatter af papiret. "I stedet for at fremstille en specifik oscillator til hver enhed, du kunne fremstille en enkelt oscillator, der kan producere et signal på alle de forskellige frekvenser, der er nødvendige."

Forskningen blev delvist udført på CNM, hvor forskere designede resonatoren og brugte elektriske karakteriseringsteknikker til at måle dens reaktioner. Siliciumenheden, som ikke er større end et par saltkorn lagt ende mod ende, forankrer tre bjælker, der bevæger sig sammen i to vibrationer:en side-til-side svajende bevægelse og en vridende bevægelse. Forskerne brugte denne dualitet til at generere frekvenskammen.

"Vi bruger samspillet mellem de to vibrationer til at opnå denne frekvensrespons, der ender med at ligne en frekvenskam, " sagde Czaplewski.

Frekvenskamme er mere almindeligt anvendt inden for optik, hvor de består af laserlysimpulser og kan bruges til at måle tid præcist. I en anden ansøgning, denne mekaniske frekvenskam, sagde forskerne, kan bruges til at studere en specifik type dynamik kendt som en SNIC-bifurkation (sadelknude på en invariant cirkel) i mekanisk, optiske og biologiske systemer. I biologiske omgivelser, for eksempel, forståelse af denne adfærd kunne hjælpe med udformningen af ​​mikromekaniske elementer, der efterligner den måde, neuroner reagerer på stimuli. Matematikken, der beskriver vibrationerne i denne resonator, blev udført i samarbejde med et team af eksperter inden for ikke-lineær dynamik på flere universiteter.

Det næste skridt i forskningen, Lopez sagde, vil være at gengive frekvenskam-fænomenet i højere frekvensresonatorer og udvide antallet af "tænder" - eller frekvenser - der kan genereres.