Den højeste forstærkning i små nanoskalaenheder

Et team af forskere fra University of Florida, ledet af Dr. Philip Feng, i samarbejde med prof. Steven Shaw fra Florida Institute of Technology, har nu demonstreret ekstremt højeffektiv mekanisk signalforstærkning i mekaniske resonatorer på nanoskala, der opererer ved radiofrekvens. De enheder, der anvendes i denne forskning, kan være de mindste mekaniske resonatorer, der udviser forstærkning, og den opnåede forstærkning er den højeste kendte for alle mekaniske enheder, der er rapporteret til dato.

Forskydningsforstærkningen realiseres baseret på "parametrisk pumpning eller parametrisk forstærkning" af mekanisk bevægelse. Parametrisk forstærkning kan hovedsageligt opnås, når en systemparameter moduleres med to gange multipla af frekvensen. Et simpelt eksempel på parametrisk forstærkning er et barn, der spiller en gynge. Barnet kan med jævne mellemrum stå og sætte sig på hug to gange i en enkelt periode af gyngen for at øge eller "forstærke" svingamplituden uden at nogen hjælper med at skubbe.

Forskerne har indset den parametriske forstærkning i de små nanoskalaenheder. De mekaniske parametriske parametriske forstærkere i nanoskala, der er demonstreret i denne forskning, består af et atomisk tyndt todimensionelt halvledende molybdændisulfid (MoS₂ ) membran, hvor tykkelsen af ​​tromlehovederne er 0,7, 2,8, 7,7 nanometer med 1,8 mikrometer i diameter og 0,0018–0,020 m ³ i volumen. Nanodrums er fremstillet ved at overføre nanosheet eksfolieret fra bulkkrystal over mikrohulrum for at lave suspenderede atomisk tynde nanodrums.

Forskerne spiller på nanodrums ved hjælp af en amplitudemoduleret laser. Når laseren forsigtigt "hitter" nanodrums, omdannes lysenergien til varme, og termisk stress kan parametrisk "spille" eller "pumpe" enheden, hvis den termiske aktivering har dobbelt så stor frekvens som enhedens resonansfrekvens. Denne parametriske pumpeproces får nanodrums til at vibrere med større amplitude, svarende til percussionsinstrumenter i meget større skala. Forskere finder de fototermiske effekter i det halvledende MoS₂ nanodrums er yderst effektive sammenlignet med andre hypotetiske nanoskala-enheder sammensat af almindelige halvledende materialer såsom silicium takket være spændende termiske, optiske og mekaniske egenskaber ved atomisk tynde MoS₂ nanoark.

Nanoskala-enhederne udviser gigantiske parametriske forstærkningsgevinster op til 3600, den højeste målte parametriske forstærkning kendt for alle mekaniske nano/mikroskala-resonatorer, der er rapporteret til dato. Den gigantiske parametriske forstærkning stammer fra enhedens ultimative tynde natur. Enhederne har en tykkelse, der kan sammenlignes med atomstørrelsen, hvilket fører til den ekstremt høje parametriske gevinst i små mekaniske enheder.

Den meget effektive parametriske forstærkning kunne tilpasses til at detektere ultrasmå mekaniske bevægelser. I mekaniske enheder i nanoskala har det været udfordrende at have en effektiv forskydningssignaltransduktionsmetode. Det har ofte forbundet til elektroniske kredsløb, men forskydningssignaler er ofte overlejret på den meget større elektriske baggrund og støj fra udlæsningselektronik. Ved hjælp af parametrisk forstærkning er det muligt først at forstærke signalet direkte i det mekaniske domæne før elektrisk transduktion, hvilket giver os mulighed for at lindre overskydende forstærkerstøj.

Den ekstra fordel ved den parametriske forstærkning er, at den parametriske forstærkning kompenserer resonatorernes iboende energitab, som begrænser mekanisk vibration inden for en meget smal frekvensbåndbredde. Sammenlignet med frekvensresponsen før den parametriske forstærkning, er linjebredde- eller båndbreddeindsnævringsfaktorer på op til 180.000 blevet demonstreret i nanoskala-resonatoren, hvilket i høj grad forbedrer muligheden for at vælge resonansfrekvensen. Forskerne forklarede, at den smalle linjebredde er kritisk for nogle applikationer, herunder at bygge et præcist ur, og derfor ville den parametriske forstærkning, der blev demonstreret i denne forskning, hjælpe med at bygge højtydende timing-enheder.

Forskerne er overbevist om, at dette arbejde vil være af bred og stor interesse og vil have en betydelig indvirkning på områderne nye atomisk tynde materialer og enheder, nanoelektromekaniske (NEMS) sensorer og aktuatorer, parametrisk drift af nanoskala resonatorer og nanomekanik. Forskerne kan også forvente, at når de implementeres med omhyggeligt design og forbedret teknisk kontrol, vil sådanne bittesmå enheder blive en kraftfuld tilgang og muligvis et nyt paradigme for realisering af højtydende sansning og andre informationsbehandlingsenheder i både klassisk og kvanteteknik, metrologi , og andre applikationer, hvor parametrisk forstærkning vil spille vigtige roller.

Dette arbejde er nu formelt accepteret i Applied Physics Reviews . + Udforsk yderligere

Forskere demonstrerer et målesystem, der er i stand til at løse kvanteudsving