En un artículo reciente publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Joel Moser y los colegas del ICFO del grupo de investigación NanoOptoMechanics dirigido por el Prof. Adrian Bachtold, junto con Marc Dykman (Universidad de Michigan), informe sobre un experimento en el que un resonador mecánico de nanotubos de carbono presenta factores de calidad de hasta 5 millones, 30 veces mejor que los mejores factores de calidad medidos en nanotubos hasta la fecha.

Imagine que el anfitrión de una cena intenta llamar la atención de sus invitados dando un solo golpe con su cuchara de ostras en su copa de cristal. Ahora, imagina, para asombro de todos, que el cristal vibre durante varios minutos, produciendo un sonido de timbre claro. Seguramente los invitados se maravillarían con este tono cristalino casi interminable. Algunos incluso podrían querer investigar el origen de este fenómeno en lugar de escuchar el discurso del anfitrión.

El secreto de un sistema de vibración ininterrumpido tan imaginario reside en el hecho de que disipa muy poca energía. La disipación de energía de un sistema vibratorio se cuantifica mediante el factor de calidad. En laboratorios, conociendo el factor de calidad, los científicos pueden cuantificar cuánto tiempo puede vibrar el sistema y cuánta energía se pierde en el proceso. Esto les permite determinar qué tan preciso puede ser el resonador al medir o detectar objetos.

Los científicos utilizan resonadores mecánicos para estudiar todo tipo de fenómenos físicos. Hoy en día, Los resonadores mecánicos de nanotubos de carbono están en demanda debido a su tamaño extremadamente pequeño y su capacidad excepcional para detectar objetos a nanoescala. Aunque son muy buenos sensores de masa y fuerza, sus factores de calidad han sido algo modestos. Sin embargo, el descubrimiento realizado por los investigadores del ICFO es un gran avance en el campo de la nanomecánica y un emocionante punto de partida para futuras tecnologías innovadoras.

¿Qué es un resonador mecánico?

Un resonador mecánico es un sistema que vibra a frecuencias muy precisas. Como una cuerda de guitarra o una cuerda floja, un resonador de nanotubos de carbono consta de un diminuto, estructura vibratoria similar a un puente (cuerda) con dimensiones típicas de 1m de longitud y 1 nm de diámetro. Si el factor de calidad del resonador es alto, la cuerda vibrará a una frecuencia muy precisa, permitiendo así que estos sistemas se conviertan en atractivos sensores de masa y fuerza, y emocionantes sistemas cuánticos.

¿Por qué es tan importante este descubrimiento?

Durante muchos años, Los investigadores observaron que los factores de calidad disminuían con el volumen del resonador, es decir, cuanto más pequeño es el resonador, menor es el factor de calidad, y debido a esta tendencia era impensable que los nanotubos pudieran exhibir factores de calidad gigantes.

Los factores de calidad gigantes que los investigadores del ICFO han medido no se han observado antes en los resonadores de nanotubos, principalmente porque sus estados vibratorios son extremadamente frágiles y se alteran fácilmente cuando se miden. Los valores detectados por el equipo de científicos se lograron mediante el uso de un nanotubo ultralimpio a temperaturas del criostato de 30 mK (-273,12 Celsius, ¡más fría que la temperatura del espacio exterior!) Y empleando un método de ruido ultrabajo para detectar vibraciones minúsculas. rápidamente reduciendo al máximo el ruido electrostático.

Joel Moser afirma que encontrar estos factores de calidad ha sido un desafío, ya que "los resonadores de nanotubos son enormemente sensibles a las cargas eléctricas circundantes que fluctúan constantemente. Este entorno tormentoso afecta fuertemente nuestra capacidad para capturar el comportamiento intrínseco de los resonadores de nanotubos. Por esta razón, tuvimos que tomar una gran cantidad de instantáneas del comportamiento mecánico de los nanotubos. Solo algunas de estas instantáneas capturaron la naturaleza intrínseca de la dinámica de los nanotubos, cuando la tormenta cedió momentáneamente. Durante estos cortos, momentos tranquilos, el nanotubo nos reveló su factor de calidad ultraalta ".

Con el descubrimiento de factores de tan alta calidad de este estudio, Los científicos del ICFO han abierto un campo completamente nuevo de posibilidades para aplicaciones de detección, y experimentos cuánticos. Por ejemplo, Los resonadores de nanotubos podrían usarse para detectar espines nucleares individuales, lo que sería un paso importante hacia la resonancia magnética (MRI) con una resolución espacial a nivel atómico. Por el momento, Adrian Bachtold comenta que "lograr una resonancia magnética a nivel atómico sería fantástico. Pero, para esto, primero tendríamos que resolver varios problemas tecnológicos que son extremadamente desafiantes ".