No puedes escuchar a la mayoría de ellos pero el mundo funciona con diferentes tipos de oscilaciones mecánicas. Por ejemplo, Dentro del reloj de pulsera electrónico promedio hay un bote sellado que contiene un resonador de cristal de cuarzo de 3 mm de largo. En respuesta a la retroalimentación eléctrica, el cristal vibra continuamente alrededor de 33, 000 veces por segundo. La notable estabilidad de esa frecuencia de resonancia, que proporciona la tasa de "tic" del reloj, te mantiene a tiempo.

"Pero con la prisa de hoy por hacer más pequeñas, dispositivos más ligeros, el espacio en la placa de circuito impreso es muy valioso, y los cristales de cuarzo son grandes, costoso, y frágil, "dice Jason Gorman del Laboratorio de Medición Física del NIST". en los últimos 10 años se ha impulsado la fabricación de relojes a microescala, con especial atención a los resonadores de silicio. El objetivo es desarrollar relojes a microescala que superen a los relojes de cuarzo en rendimiento y al mismo tiempo sean 1/100 del tamaño y utilicen una fracción de la potencia ".

En pos de ese objetivo, Gorman y su colega Vikrant Gokhale, utilizando estructuras fabricadas a medida de no más de una quinta parte del ancho de un cabello humano, han ideado y probado un método novedoso que mejora sustancialmente el rendimiento del resonador de silicio. y también puede beneficiar a muchos tipos diferentes de sensores. Los científicos publicaron sus resultados recientemente en Letras de física aplicada .

Los relojes requieren algún mecanismo que oscile (tictac) casi exactamente a la misma velocidad y fuerza a lo largo del tiempo, ya sea un péndulo oscilante o átomos que absorben y liberan fotones. La capacidad de un resonador para hacerlo con precisión está directamente relacionada con su factor de calidad (Q). Un resonador de alta Q es aquel que permanece cerca de una sola frecuencia y derrama muy poca energía a su entorno; su señal se mantiene fuerte y estable a lo largo del tiempo.

En los dispositivos a microescala, fabricados con dimensiones medidas en micrómetros, un factor clave para la Q alcanzable es la cantidad de energía vibratoria absorbida por los diminutos contrafuertes o "ataduras" que suspenden el resonador del sustrato de soporte. Las correas están diseñadas para reflejar la mayor cantidad de energía vibratoria posible de regreso al resonador, minimizando la disipación. La configuración estándar de una correa es solo un haz recto de silicio sólido.

Recientemente, otros investigadores han empleado ataduras con estructuras más complejas basadas en geometría repetida. Dependiendo de la optimización de esta geometría, estas ataduras pueden permitir que solo ciertas frecuencias de vibraciones cuantificadas llamadas fonones pasen mientras reflejan otras. (Esto se llama banda prohibida acústica). una atadura ideal de "cristal fonónico" (PnC) reflejaría la frecuencia de resonancia del resonador, mientras transmite otros. "Dado que hay más energía vibratoria confinada dentro del resonador debido a los reflejos del cristal fonónico, Se espera que el factor de calidad mejore en comparación con las correas de viga recta, "dice Gokhale.

Los primeros experimentos con PnC en diferentes configuraciones de amarre realizados por otros mostraron que el factor de calidad podría mejorarse hasta en un factor tres. Sin embargo, otros mecanismos de disipación de energía, como la tensión en las interfaces entre múltiples materiales y la disipación termoelástica en electrodos metálicos, dominó el factor de calidad en los resonadores piezoeléctricos utilizados en estas pruebas.

"Decidimos llevar eso más lejos, ", Dice Gorman." Sabíamos que al desarrollar un resonador hecho de un solo material, silicio en este caso, podríamos deshacernos de la mayoría de los otros mecanismos de disipación que limitan el factor de calidad ”. Al hacerlo, se redujo la disipación a unos pocos efectos que son inevitables y pequeños en comparación con la disipación de energía que normalmente resulta de las ataduras.

Usando las capacidades de nanofabricación del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST, hicieron arreglos de amarre en filas que contienen uno, Tres, o cinco celdas PnC ", "y determinó que un número mayor aumentaba la reflectancia, y así mejoró el Q.Los resultados no solo superaron con creces el rendimiento de las barras de sujeción convencionales, pero se acercó al límite fundamental de disipación intrínseca del material, logrando un Q más alto que nunca antes registrado para el silicio a una frecuencia de resonancia por encima de 100 MHz.

Además de los relojes micromecánicos, este trabajo puede tener repercusiones en varios enfoques de sensores basados ​​en resonadores. "Los sensores resonantes se utilizan comúnmente para mediciones sensibles de aceleración, rotación, fuerza, y cambios masivos, y la sensibilidad es proporcional a la Q alcanzable, "dice Gorman.

Como ejemplo, Los sensores químicos resonantes se basan en el hecho de que la frecuencia central de un resonador depende de su masa. Si una molécula de algún tipo, como un contaminante, golpea el resonador y se pega allí, cambia la frecuencia de resonancia. La cantidad de cambio depende de la masa de la molécula, permitiendo a los usuarios determinar las especies químicas. "La alta Q es importante en los sensores porque mejora la sensibilidad a los cambios en la frecuencia de resonancia cuando se aplica un estímulo al resonador, "Dice Gokhale. Ahora se están buscando nuevas tecnologías de sensores basadas en el resonador con ataduras de cristal fonónico.