Nye nanostrenge kan vibrere længere end noget tidligere kendt solid-state objekt

Forskere fra TU Delft og Brown University har konstrueret strenglignende resonatorer, der er i stand til at vibrere længere ved omgivelsestemperatur end nogen tidligere kendt faststof-objekter - og nærmer sig, hvad der i øjeblikket kun kan opnås i nærheden af ​​absolutte nultemperaturer. Deres undersøgelse, offentliggjort i Nature Communications , skubber kanten af ​​nanoteknologi og maskinlæring for at lave nogle af verdens mest følsomme mekaniske sensorer.

De nyudviklede nanostrenge kan prale af de højeste mekaniske kvalitetsfaktorer, der nogensinde er registreret for et fastspændingsobjekt i stuetemperaturmiljøer; i deres tilfælde fastspændt til en mikrochip. Dette gør teknologien interessant til integration med eksisterende mikrochipplatforme.

Mekaniske kvalitetsfaktorer repræsenterer, hvor godt energien klinger ud af et vibrerende objekt. Disse strenge er specielt designet til at fange vibrationer ind og ikke lade deres energi lække ud.

Et 100 års sving på en mikrochip

"Forestil dig en gynge, der, når den først er skubbet, bliver ved med at svinge i næsten 100 år, fordi den næsten ikke mister energi gennem rebene," siger lektor Richard Norte.

Han tilføjer:"Vores nanostrenge gør noget lignende, men i stedet for at vibrere en gang i sekundet som et gynge, vibrerer vores strenge 100.000 gange i sekundet. Fordi det er svært for energi at lække ud, betyder det også, at miljøstøj er svær at komme ind i, hvilket gør disse nogle af de bedste sensorer til rumtemperaturmiljøer.

"Denne innovation er afgørende for at studere makroskopiske kvantefænomener ved stuetemperatur - miljøer, hvor sådanne fænomener tidligere var maskeret af støj. Mens kvantemekanikkens underlige love normalt kun ses i enkelte atomer, er nanostrengenes evne til at isolere sig fra vores hverdagsvarme. -baseret vibrationsstøj giver dem mulighed for at åbne et vindue til deres egne kvantesignaturer, der er lavet af milliarder af atomer.

Ekstraordinær match mellem simulering og eksperiment

"Vores fremstillingsproces går i en anden retning i forhold til, hvad der er muligt inden for nanoteknologi i dag," sagde Dr. Andrea Cupertino, der stod i spidsen for den eksperimentelle indsats. Strengene er 3 centimeter lange og 70 nanometer tykke, men opskaleret ville dette svare til fremstilling af guitarstrenge af glas, der er ophængt en halv kilometer næsten uden nedbøjning.

"Denne slags ekstreme strukturer er kun mulige på nanoskalaer, hvor virkningerne af tyngdekraft og vægt træder forskelligt ind. Dette giver mulighed for strukturer, der ville være uigennemførlige på vores daglige skalaer, men som er særligt nyttige i miniatureapparater, der bruges til at måle fysiske størrelser såsom tryk, temperatur , acceleration og magnetiske felter, som vi kalder MEMS-sensing," forklarer Cupertino.

Nanostrengene er fremstillet ved hjælp af avancerede nanoteknologiske teknikker udviklet på TU Delft, og skubber grænserne for, hvordan tynde og lange suspenderede nanostrukturer kan laves. En nøgle til samarbejdet er, at disse nanostrukturer kan laves så perfekt på en mikrochip, at der er et ekstraordinært match mellem simuleringer og eksperimenter – hvilket betyder, at simuleringer kan fungere som data for maskinlæringsalgoritmer frem for dyre eksperimenter.

"Vores tilgang involverede at bruge maskinlæringsalgoritmer til at optimere designet uden løbende at fremstille prototyper," bemærkede hovedforfatteren Dr. Dongil Shin, som udviklede disse algoritmer sammen med Miguel Bessa.

For yderligere at forbedre effektiviteten ved at designe disse store detaljerede strukturer brugte maskinlæringsalgoritmerne smart indsigt fra enklere, kortere strengeeksperimenter til at forfine designet af længere strenge, hvilket gjorde udviklingsprocessen både økonomisk og effektiv.

Ifølge Norte er dette projekts succes et vidnesbyrd om det frugtbare samarbejde mellem eksperter i nanoteknologi og maskinlæring, hvilket understreger den tværfaglige karakter af banebrydende videnskabelig forskning.

Inertial navigation og næste generations mikrofoner

Implikationerne af disse nanostrenge strækker sig ud over grundlæggende videnskab. De tilbyder lovende nye veje til at integrere meget følsomme sensorer med standard mikrochipteknologi, hvilket fører til nye tilgange inden for vibrationsbaseret sensing.

Mens disse indledende undersøgelser fokuserer på strenge, kan koncepterne udvides til mere komplekse designs for at måle andre vigtige parametre som acceleration for inerti-navigation eller noget, der mere ligner et vibrerende trommehoved til næste generations mikrofoner. Denne forskning viser det store udvalg af muligheder, når man kombinerer nanoteknologiske fremskridt med maskinlæring for at åbne nye grænser inden for teknologi.

Flere oplysninger: Andrea Cupertino et al., Centimeterskala nanomekaniske resonatorer med lav dissipation, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48183-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Delft University of Technology