Un equipo de investigación conjunto CEA / Universidad de Grenoble-Alpes, junto con socios internacionales, ha desarrollado una técnica de diagnóstico capaz de identificar problemas de rendimiento en nanoresonadores, un tipo de nanodetector utilizado en la investigación y la industria. Estos sistemas nanoelectromecánicos, o NEMS, nunca se han utilizado a sus máximas capacidades. Los límites de detección observados en la práctica siempre han estado muy por debajo del límite teórico y, hasta ahora, esta diferencia ha quedado sin explicación. Usando un enfoque totalmente nuevo, los investigadores ahora han logrado evaluar y explicar este fenómeno. Sus resultados, descrito en la edición del 29 de febrero de Nanotecnología de la naturaleza , ahora debería permitir encontrar formas de superar este déficit de rendimiento.
NEMS tiene muchas aplicaciones, incluida la medición de masa o fuerza. Como una pequeña cuerda de violín un nanoresonador vibra a una frecuencia de resonancia precisa. Esta frecuencia cambia si las moléculas de gas o las partículas biológicas se depositan en la superficie del nanoresonador. Este cambio de frecuencia se puede utilizar para detectar o identificar la sustancia, permitir un diagnóstico médico, por ejemplo. Las dimensiones extremadamente pequeñas de estos dispositivos (menos de una millonésima parte de un metro) hacen que los detectores sean muy sensibles.
Sin embargo, esta resolución está limitada por un límite de detección. Hay ruido de fondo además de la señal de medición deseada. Los investigadores siempre han considerado este ruido de fondo como una característica intrínseca de estos sistemas (ver Figura 2). A pesar de que los niveles de ruido son significativamente mayores de lo que predice la teoría, la imposibilidad de comprender los fenómenos subyacentes tiene, hasta ahora, llevó a la comunidad investigadora a ignorarlos.
El equipo de investigación de CEA-Leti y sus socios revisaron todas las mediciones de estabilidad de frecuencia en la literatura, e identificó una diferencia de varios órdenes de magnitud entre los límites teóricos aceptados y las medidas experimentales.
Además de evaluar este déficit, los investigadores también desarrollaron una técnica de diagnóstico que podría aplicarse a cada nanoresonador individual, utilizando sus propios resonadores de silicio monocristalino de alta pureza para investigar el problema.
La frecuencia de resonancia de un nanoresonador está determinada por la geometría del resonador y el tipo de material utilizado en su fabricación. Por tanto, está teóricamente fijo. Al forzar al resonador a vibrar a frecuencias definidas cercanas a la frecuencia resonante, los investigadores de CEA-Leti han podido demostrar un efecto secundario que interfiere con la resolución del sistema y su límite de detección además del ruido de fondo. Este efecto provoca ligeras variaciones en la frecuencia de resonancia. Estas fluctuaciones en la frecuencia de resonancia son el resultado de la extrema sensibilidad de estos sistemas. Si bien es capaz de detectar pequeños cambios en la masa y la fuerza, también son muy sensibles a las variaciones mínimas de temperatura y los movimientos de las moléculas en su superficie. A nanoescala, Estos parámetros no pueden ignorarse, ya que imponen un límite significativo al rendimiento de los nanoresonadores. Por ejemplo, un pequeño cambio de temperatura puede cambiar los parámetros del material del dispositivo, y de ahí su frecuencia. Estas variaciones pueden ser rápidas y aleatorias.
La técnica experimental desarrollada por el equipo permite evaluar la pérdida de resolución y determinar si es causada por los límites intrínsecos del sistema o por una fluctuación secundaria que, por tanto, puede corregirse. Se ha solicitado una patente para cubrir esta técnica. El equipo de investigación también ha demostrado que ninguna de las hipótesis teóricas avanzadas hasta ahora para explicar estas fluctuaciones en la frecuencia de resonancia puede explicar actualmente el nivel de variación observado.
Por lo tanto, el equipo de investigación continuará con el trabajo experimental para explorar el origen físico de estas fluctuaciones, con el objetivo de lograr una mejora significativa en el rendimiento de los nanoresonadores.
