La disipación de energía es un ingrediente clave para comprender muchos fenómenos físicos en termodinámica, fotónica, reacciones químicas, Fisión nuclear, emisiones de fotones, o incluso circuitos electrónicos, entre otros.

En un sistema vibratorio, la disipación de energía se cuantifica mediante el factor de calidad. Si el factor de calidad del resonador es alto, la energía mecánica se disipará a un ritmo muy bajo, y, por lo tanto, el resonador será extremadamente preciso para medir o detectar objetos, lo que permitirá que estos sistemas se conviertan en sensores de masa y fuerza muy sensibles. así como emocionantes sistemas cuánticos.

Llevar, por ejemplo, una cuerda de guitarra y hazla vibrar. La vibración creada en la cuerda resuena en el cuerpo de la guitarra. Debido a que las vibraciones del cuerpo están fuertemente acopladas al aire circundante, la energía de la vibración de la cuerda se disipará de manera más eficiente en el baño ambiental, aumentando el volumen del sonido. Es bien sabido que la desintegración es lineal, ya que no depende de la amplitud vibratoria.

Ahora, tomar la cuerda de la guitarra y encogerla a dimensiones nanométricas para obtener un resonador nanomecánico. En estos nano sistemas, Se ha observado que la disipación de energía depende de la amplitud de la vibración, descrito como un fenómeno no lineal, y hasta ahora no se ha probado ninguna teoría propuesta para describir correctamente este proceso de disipación.

En un estudio reciente, publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores del ICFO Johannes Güttinger, Adrien Noury, Peter Weber, Camille Lagoin, Joel Moser, dirigido por el Prof. en ICFO Adrian Bachtold, en colaboración con investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers y ETH Zurich, han encontrado una explicación del proceso de disipación no lineal utilizando un resonador nanomecánico basado en grafeno multicapa.

En su trabajo, el equipo de investigadores utilizó un resonador nanomecánico basado en grafeno, muy adecuado para observar efectos no lineales en procesos de decaimiento de energía, y lo midió con una cavidad de microondas superconductora. Un sistema de este tipo es capaz de detectar las vibraciones mecánicas en un período de tiempo muy corto, además de ser lo suficientemente sensible como para detectar desplazamientos mínimos y en un rango muy amplio de amplitudes vibratorias.

El equipo tomó el sistema, lo forzó a desequilibrarse utilizando una fuerza impulsora, y posteriormente apagó la fuerza para medir la amplitud vibratoria a medida que decaía la energía del sistema. Llevaron a cabo más de 1000 mediciones para cada traza de desintegración de energía y pudieron observar que a medida que la energía de un modo vibratorio se desintegra, la tasa de deterioro alcanza un punto en el que cambia abruptamente a un valor más bajo. La mayor caída de energía en vibraciones de gran amplitud se puede explicar mediante un modelo en el que el modo de vibración medido "hibrida" con otro modo del sistema y decaen al unísono. Esto es equivalente al acoplamiento de la cuerda de la guitarra al cuerpo, aunque el acoplamiento no es lineal en el caso del nano resonador de grafeno. A medida que disminuye la amplitud vibratoria, la velocidad cambia repentinamente y los modos se desacoplan, resultando en tasas de descomposición comparativamente bajas, por lo tanto, en factores de calidad muy gigantes que superan el millón. Este cambio abrupto en la descomposición nunca se había predicho ni medido hasta ahora.

Por lo tanto, Los resultados obtenidos en este estudio han demostrado que los efectos no lineales en los resonadores nanomecánicos de grafeno revelan un efecto de hibridación a altas energías que, si está controlado, podría abrir nuevas posibilidades para manipular estados vibratorios, Diseñar estados híbridos con modos mecánicos a frecuencias completamente diferentes, y estudiar el movimiento colectivo de sistemas altamente sintonizables.