Måling af nano-vibrationer

I et nyligt papir offentliggjort i Natur nanoteknologi , Joel Moser og ICFO-kolleger fra forskningsgruppen NanoOptoMechanics ledet af prof. Adrian Bachtold, sammen med Marc Dykman (Michigan University), rapport om et eksperiment, hvor en carbon nanorør mekanisk resonator udviser kvalitetsfaktorer på op til 5 mio. 30 gange bedre end de bedste kvalitetsfaktorer målt i nanorør til dato.

Forestil dig, at værten for et middagsselskab forsøger at få sine gæsters opmærksomhed ved at give et enkelt tryk med sin østersske på sit krystalglas. Nu, forestille, til alles forbløffelse, at krystalglasset vibrerer i flere lange minutter, producerer en klar ringelyd. Gæsterne ville helt sikkert undre sig over denne næsten uendelige krystaltone. Nogle vil måske endda undersøge oprindelsen af ​​dette fænomen i stedet for at lytte til værtens tale.

Hemmeligheden bag et sådant imaginært non-stop vibrerende system er afhængig af det faktum, at det spreder meget lidt energi. Energiafgivelsen af ​​et vibrerende system kvantificeres af kvalitetsfaktoren. I laboratorier, ved at kende kvalitetsfaktoren, forskere kan kvantificere, hvor længe systemet kan vibrere, og hvor meget energi der går tabt i processen. Dette giver dem mulighed for at bestemme, hvor præcis resonatoren kan være til at måle eller registrere objekter.

Forskere bruger mekaniske resonatorer til at studere alle mulige fysiske fænomener. I dag, carbon nanorør mekaniske resonatorer er efterspurgte på grund af deres ekstremt lille størrelse og deres enestående evne til at registrere objekter på nanoskala. Selvom de er meget gode masse- og kraftsensorer, deres kvalitetsfaktorer har været noget beskedne. Imidlertid, ICFO-forskernes opdagelse er et stort fremskridt inden for nanomekanik og et spændende udgangspunkt for fremtidige innovative teknologier.

Hvad er en mekanisk resonator?

En mekanisk resonator er et system, der vibrerer ved meget præcise frekvenser. Som en guitarstreng eller en stram reb, en carbon nanorør-resonator består af en lille, vibrerende brolignende (streng) struktur med typiske dimensioner på 1m i længden og 1nm i diameter. Hvis kvalitetsfaktoren for resonatoren er høj, strengen vil vibrere med en meget præcis frekvens, hvilket gør det muligt for disse systemer at blive tiltalende masse- og kraftsensorer, og spændende kvantesystemer.

Hvorfor er denne opdagelse så vigtig?

I mange år, forskere observerede, at kvalitetsfaktorer faldt med resonatorens volumen, det er jo mindre resonator jo lavere kvalitetsfaktor, og på grund af denne tendens var det utænkeligt, at nanorør kunne udvise kæmpe kvalitetsfaktorer.

De gigantiske kvalitetsfaktorer, som ICFO-forskere har målt, er ikke blevet observeret før i nanorørsresonatorer, primært fordi deres vibrationstilstande er ekstremt skrøbelige og let forstyrres, når de måles. Værdierne opdaget af holdet af forskere blev opnået ved brug af et ultrarent nanorør ved kryostattemperaturer på 30mK (-273,12 Celsius - koldere end temperaturen i det ydre rum!) og ved at anvende en metode med ultralav støj til at detektere minimale vibrationer hurtigt og samtidig reducere den elektrostatiske støj så meget som muligt.

Joel Moser hævder, at det har været en udfordring at finde disse kvalitetsfaktorer, da "nanorørsresonatorer er enormt følsomme over for omgivende elektriske ladninger, der svinger konstant. Dette stormfulde miljø påvirker i høj grad vores evne til at fange nanorørs resonatorers iboende adfærd. Af denne grund, vi var nødt til at tage et meget stort antal snapshots af nanorørets mekaniske adfærd. Kun nogle få af disse snapshots fangede den iboende natur af nanorørets dynamik, da stormen et øjeblik gav op. I løbet af disse korte, stille øjeblikke, nanorøret afslørede sin ultrahøje kvalitetsfaktor for os".

Med opdagelsen af ​​så høje kvalitetsfaktorer fra denne undersøgelse, ICFO-forskere har åbnet et helt nyt område af muligheder for at registrere applikationer, og kvanteforsøg. For eksempel, nanorørresonatorer kan bruges til at detektere individuelle nukleare spins, hvilket ville være et vigtigt skridt mod magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) med en rumlig opløsning på atomniveau. I øjeblikket, Adrian Bachtold kommenterer, at "at opnå MR på atomniveau ville være fantastisk. Men, for det, vi skulle først løse forskellige teknologiske problemer, der er ekstremt udfordrende."