La deformación se puede utilizar para diseñar propiedades inusuales a nanoescala. Los investigadores del laboratorio de Tobias Kippenberg en EPFL han aprovechado este efecto para diseñar una nanocadena de pérdida extremadamente baja. Cuando se despluma, la cuerda vibra durante minutos con un período de un microsegundo (equivalente a una nota de guitarra estándar que se toca durante un mes). Usándolo como un micrófono ultrasensible, los investigadores esperan poder detectar el sonido de los fotones en un rayo láser. El trabajo está publicado en Ciencias .

Una lección sobre el manejo del estrés

Para un ingeniero mecánico, el estrés suele ser una molestia. Manejado adecuadamente sin embargo, También puede ser una herramienta poderosa:un cuerpo elástico responde al estrés ajustando la distancia entre sus átomos (deformación), que se puede utilizar para controlar las propiedades de sus electrones. Un ejemplo de tal ingeniería de deformación elástica es el transistor moderno, cuya velocidad de funcionamiento se mejora al estresar su material de puerta de silicio.

El estrés también se puede utilizar para diseñar las propiedades de un cuerpo elástico. Estirar una cuerda de guitarra por ejemplo, cambiará no solo su sonido (su frecuencia vibratoria), pero también su factor de calidad (el número de vibraciones producidas por un solo arranque). Este efecto, conocido como "dilución por disipación, "en indeseables en muchos círculos musicales, pero en otros campos puede ser una gran ventaja.

Más grande no siempre es mejor

Uno de esos campos es la nanomecánica, donde el factor de calidad de un oscilador dicta su utilidad para aplicaciones como la detección de fuerza. Durante la ultima decada, los osciladores nanomecánicos tensos han surgido como un paradigma importante debido a sus factores de calidad anormalmente altos; sin embargo, esta tendencia no es tanto una elección de diseño como un artefacto de grandes tensiones producidas naturalmente a nanoescala.

Armado con un poderoso conjunto de herramientas en el Centro de MicroNanoTechnology de EPFL, Los investigadores del laboratorio de Kippenberg se propusieron diseñar dispositivos nanomecánicos con dilución de disipación y estrés deliberadamente mejorada. Descubrieron que una cuerda es una geometría ideal para esto, aunque su movimiento debe estar localizado lejos de sus soportes y co-localizado con su perfil de estrés interno.

Para cumplir con estos requisitos, los investigadores modelaron la cuerda en una estructura periódica en la que las vibraciones podrían quedar atrapadas alrededor de un defecto central:un cristal fonónico. Para co-localizar la tensión, el defecto está cuidadosamente afilado, y el patrón completo está impreso en una cuerda de aproximadamente 10 nm de grosor y 1 cm de largo (el equivalente a estirar el puente Golden Gate a través del océano Pacífico).

Las mediciones realizadas en dispositivos de nanocadena a temperatura ambiente revelan modos localizados que vibran a 1 MHz durante decenas de minutos. correspondiente a un factor de calidad de 800 millones. Transpuesto a una cuerda de guitarra estándar, una nota equivalente sonaría durante un mes.

Escuchando la luz

A fuerza de su pequeña masa y factores de calidad extrema, Se espera que nanocadenas similares a las desarrolladas en el laboratorio de Kippenberg tengan un impacto importante en las aplicaciones de detección tradicionales. Operado como sensores de fuerza, por ejemplo, son capaces de detectar perturbaciones locales a nivel de attonewtons, equivalente a la atracción gravitacional entre los seres humanos.

Una aplicación interesante es la de detectar fuerzas de luz débiles. Acoplando una nanocadena a una guía de ondas óptica, El laboratorio de Kippenberg demostró recientemente la capacidad de detectar el suave sonido de los fotones que fluyen en un rayo láser (cada uno imparte una pequeña fuerza de presión de radiación a la cuerda). En un giro sorprendente mostraron cómo esta medida podría usarse para generar un estado de luz no clásico conocido como luz exprimida, que se puede utilizar para mejorar la sensibilidad de un interferómetro óptico.

Ahora están haciendo una pregunta diferente:¿es posible usar el mismo campo de luz para detectar las fluctuaciones de vacío de la nanocadena (una consecuencia de su naturaleza similar a un fonón)? "El principio de incertidumbre de Heisenberg predice que las dos capacidades son acordes, "dice Dalziel Wilson, uno de los autores del artículo. "Operar en este llamado límite cuántico estándar ofrece la posibilidad de enfriar un objeto mecánico de tamaño tangible desde la temperatura ambiente hasta el cero absoluto (su estado fundamental de movimiento), el punto de partida para una miríada de experimentos cuánticos ".