Esta micrografía electrónica de barrido muestra un resonador microelectromecánico. El resonador consta de tres haces de silicio monocristalino sujetos en ambos extremos. El centro de las vigas está conectado a dos accionamientos de peine para accionamiento y transducción de movimiento. La vibración fundamental de la viga se encuentra en el plano de los accionamientos de peine. Sin embargo, a frecuencias más altas, el resonador puede moverse con un movimiento giratorio alrededor de las vigas centrales. Cuando estos dos movimientos vibracionales interactúan, se puede inducir un movimiento periódico cuyo espectro consta de una multitud de frecuencias con igual espaciado, que comprende un peine de frecuencia. Esta imagen fue tomada usando un microscopio electrónico de barrido FEI Nova 600 Nanolab en el Centro de Materiales a Nanoescala. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Una cosa es que los humanos pierdan la noción del tiempo, pero ¿qué sucede cuando nuestros relojes funcionan en un mundo cada vez más interconectado? los dispositivos deben ser más puntuales que nunca. Para que sigan funcionando como esperamos, Dependen de un ejército de diminutos componentes vibrantes.
Un hallazgo de un equipo dirigido por científicos del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), una instalación para usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne, En última instancia, podría ayudar a mejorar dichos componentes en una variedad de productos electrónicos e incluso crear dispositivos que imiten procesos biológicos. Los investigadores han sido pioneros en un dispositivo micromecánico que responde a señales externas de una manera completamente nueva en comparación con las convencionales. Su trabajo, realizado por un equipo que abarca cinco instituciones, incluida Argonne, fue publicado recientemente en la revista Cartas de revisión física .
"La novedad aquí es que si excitas este dispositivo resonador de la manera correcta, la estructura vibra con un espectro que consta de múltiples frecuencias espaciadas uniformemente, a pesar de que es impulsado por una sola frecuencia, "dijo Daniel López, líder de grupo para el grupo de dispositivos y nanofabricación de materiales a nanoescala.
Un resonador típico en un dispositivo electrónico responde a una señal con una frecuencia correspondiente. En relojes de pulsera por ejemplo, un resonador de cuarzo vibra a una frecuencia específica cuando se aplica un cierto voltaje, y esa vibración marca el tiempo. Pero una red de dispositivos multitarea puede requerir respuestas en más de una frecuencia, y ahí es donde las cosas se complican.
"Para cada dispositivo que funcione a una frecuencia específica, necesitas una fuente de tiempo, "dijo el nanocientífico del CNM Dave Czaplewski, el autor principal del artículo. "Tener varios dispositivos funcionando a múltiples frecuencias hace que el sistema sea mucho más complejo".
Si bien un enfoque común de este problema involucra múltiples resonadores, múltiples señales o ambas, los investigadores crearon un sencillo, Resonador de tamaño micro que puede generar múltiples frecuencias a partir de una señal. Este conjunto de frecuencias se denomina peine de frecuencia, llamado así por la forma en que las frecuencias aparecen espaciadas uniformemente, como dientes, cuando se traza en un gráfico.
"La novedad aquí es que si excitas este dispositivo resonador de la manera correcta, la estructura vibra con un espectro que consta de múltiples frecuencias espaciadas uniformemente, a pesar de que es impulsado por una sola frecuencia, "dijo Daniel López, líder del grupo de Nanofabrication and Devices de CNM y coautor del artículo. "En lugar de fabricar un oscilador específico para cada dispositivo, podría fabricar un solo oscilador que pueda producir una señal en todas las diferentes frecuencias necesarias ".
La investigación se llevó a cabo en parte en el CNM, donde los investigadores diseñaron el resonador y utilizaron técnicas de caracterización eléctrica para medir sus respuestas. El dispositivo de silicio, que no es más grande que unos pocos granos de sal colocados de punta a punta, ancla tres vigas que se mueven juntas en dos vibraciones:un movimiento de balanceo de lado a lado y un movimiento de torsión. Los investigadores utilizaron esta dualidad para generar el peine de frecuencias.
"Usamos la interacción entre esas dos vibraciones para obtener esta respuesta de frecuencia que termina pareciendo un peine de frecuencia, "Dijo Czaplewski.
Los peines de frecuencia se utilizan más comúnmente en el campo de la óptica, donde consisten en pulsos de luz láser y se pueden usar para medir el tiempo con precisión. En otra aplicación, este peine de frecuencia mecánica, los investigadores dijeron, se puede utilizar para estudiar un tipo específico de dinámica conocida como bifurcación SNIC (nodo de silla en un círculo invariante) en mecánica, sistemas ópticos y biológicos. En un entorno biológico, por ejemplo, La comprensión de este comportamiento podría ayudar en el diseño de elementos micromecánicos que emulan la forma en que las neuronas responden a los estímulos. Las matemáticas que describen las vibraciones en este resonador se llevaron a cabo en colaboración con un equipo de expertos en el campo de la dinámica no lineal en múltiples universidades.
El siguiente paso en la investigación, Lopez dijo, será reproducir el fenómeno de peine de frecuencia en resonadores de alta frecuencia y ampliar el número de "dientes" —o frecuencias— que se pueden generar.
