Un dispositivo micromecánico genera una serie de precisos, frecuencias de vibración igualmente espaciadas, análogo a la luz del "peine de frecuencia óptica, "que ha mejorado drásticamente las mediciones de precisión y podría conducir a avances en la detección de cambios en escalas de tiempo muy largas, como la medición de cambios lentos en el campo gravitacional de la Tierra.

La invención ganadora del Premio Nobel del peine de frecuencia óptica:luz cuyo espectro contiene una serie de picos igualmente espaciados:ha revolucionado el diseño de relojes atómicos y otros dispositivos de alta precisión. Los investigadores han creado ahora un peine de frecuencias fonónicas, en el que el espectro de vibraciones de un cristal sigue el mismo patrón que el peine óptico. El descubrimiento confirma una predicción teórica reciente y podría ser útil para mediciones de precisión que requieran una estabilidad, estándar de baja frecuencia, como los que implican cambios lentos.

Los peines de frecuencia óptica han simplificado y mejorado drásticamente la medición del tiempo de precisión, entre otros campos. Una forma de generar un peine de frecuencia óptica es mediante un medio 'no lineal' en el que los fotones interactúan entre sí para generar nuevos fotones a frecuencias diferentes a las de los fotones iniciales. Estos efectos pueden explotarse para crear luz cuyo espectro contenga una serie de muchas frecuencias igualmente espaciadas.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do y Ashwin Seshia, con sede en el Centro de Nanociencia, no intentamos crear un peine de frecuencias fonónicas, el equivalente vibracional del peine óptico. Estaban investigando el comportamiento de los fonones, las vibraciones de los átomos en una estructura cristalina, en una oblea rectangular de silicio. 1100 por 350 por 10 micrómetros, cubierto por una fina capa de nitruro de aluminio, un material que vibra en respuesta a un voltaje aplicado. La oblea se adjuntó a una estructura de soporte en dos puntos, lo que le permite vibrar en respuesta a un voltaje aplicado oscilante. El equipo observó las vibraciones de la oblea al reflejar la luz láser de su superficie, permitiéndoles registrar tanto el patrón espacial como las frecuencias de los fonones con alta precisión.

Cuando aplicaron el voltaje oscilante a ciertas frecuencias, los investigadores se sorprendieron de que la respuesta de la oblea tuviera la forma de un peine de frecuencia en lugares de la superficie con la mayor amplitud de movimiento. Para una frecuencia de estímulo de 3.862 MHz, por ejemplo, El espectro de vibración de la oblea mostró varios picos separados por 2,6 kHz.

Buscando una explicación para este sorprendente hallazgo, los investigadores encontraron un argumento teórico de 2014 que describía, de forma esquemática, cómo generar un peine de frecuencias fonónicas. Peter Schmelcher de la Universidad de Hamburgo, Alemania, y sus colegas habían estudiado las llamadas cadenas Fermi-Pasta-Ulam (FPU), conjuntos de masas conectadas por resortes cuya fuerza de restauración depende no solo de la longitud por la que se estiran, sino también del cuadrado y posiblemente del cubo de esa longitud. . Las vibraciones de la cadena representan fonones unidimensionales, y la no linealidad permite que estos fonones interactúen y creen nuevos fonones en diferentes frecuencias. Schmelcher y sus colegas demostraron que la vibración de un extremo de una cadena FPU a una frecuencia de forzamiento que es ligeramente diferente de la suma de dos frecuencias resonantes genera un peine de frecuencia.

El profesor Seshia dice que aunque el modelo FPU no puede capturar toda la complejidad del comportamiento del fonón en una oblea, él y sus colegas encontraron que explicaba muy bien los peines de frecuencia que observaron. Como en el modelo FPU, era importante que la frecuencia de forzamiento no fuera una suma exacta de las frecuencias de fonones de la oblea. Cuando se cumplió esa condición, surgió un espectro de peine con el espaciamiento predicho por la teoría. La variación de la respuesta del peine a medida que el equipo variaba la frecuencia y la potencia de la vibración forzada también siguió el modelo FPU.

La principal dificultad experimental fue que una frecuencia de forzamiento fuera de resonancia es ineficaz para excitar fonones en la oblea:un peine de frecuencia surgió solo cuando la potencia de la oscilación forzada excedió un valor umbral. Sin embargo, El profesor Seshia dice que no debería ser difícil mejorar el diseño del dispositivo para excitar los peines de frecuencia más fácilmente.

Schmelcher está de acuerdo en que los nuevos experimentos verifican el mecanismo teórico que propusieron él y sus colegas. También señala que dado que un peine de frecuencia representa un conjunto adicional de fonones que pueden transmitir energía vibratoria en la oblea, puede abrir nuevas vías para que un dispositivo absorba energía vibratoria y, por lo tanto, mejore su eficiencia.

El profesor Seshia ve posibles aplicaciones en sistemas micro y nanoelectromecánicos donde el intervalo de frecuencia de un peine proporcionaría una frecuencia estándar precisa y estable mucho más baja que la frecuencia de los propios fonones. Eso podría ser especialmente valioso él añade, para detectar cambios en escalas de tiempo muy largas, como los gravímetros que miden cambios lentos en el campo gravitacional de la Tierra.

Esta investigación se publica en Cartas de revisión física .