Investigadores del Instituto Niels Bohr han introducido un nuevo tipo de resonador nanomecánico, en el que un patrón de agujeros localiza las vibraciones en una pequeña región en una membrana de 30 nm de espesor. El patrón suprime drásticamente el acoplamiento a fluctuaciones aleatorias en el medio ambiente, potenciando la coherencia de las vibraciones. La comprensión cuantitativa y los modelos numéricos de los investigadores proporcionan un modelo versátil para dispositivos nanomecánicos ultracoherentes. Entre otros, esto permite a una nueva generación de sensores nanomecánicos sondear los límites cuánticos de las mediciones mecánicas, y microscopía de fuerza más sensible. Los resultados se publican en la prestigiosa revista científica, Nanotecnología de la naturaleza .

Los dispositivos micro y nanomecánicos son omnipresentes en la ciencia y la tecnología:hacen funcionar los relojes, permitir que los teléfonos inteligentes y los automóviles detecten la aceleración, y proporcionan el elemento básico en el que se basan los microscopios de fuerza atómica (AFM) y sus sofisticados derivados. Más recientemente, estos dispositivos también se han convertido en el foco de la ciencia cuántica. Los experimentos con los sensores mecánicos más avanzados ahora sondean los límites cuánticos fundamentales para medir las fuerzas, probando una década, predicciones recientemente relevantes de la comunidad de detección de ondas gravitacionales. Los dispositivos mecánicos con capacidad cuántica también están preparados para desempeñar un papel en las tecnologías de computación y comunicación cuántica, por ejemplo, como memoria o elementos de interfaz.

Una característica crucial de los dispositivos mecánicos en estas aplicaciones es su coherencia:esencialmente cuantifica cuánto (o preferiblemente, poco) la dinámica del movimiento se ve perturbada por fluctuaciones aleatorias en el medio ambiente. Para un resonador mecánico que oscila a la frecuencia f, un factor Q de alta calidad indica alta coherencia (por definición, Q / 2pf es el tiempo de almacenamiento de energía del resonador). Al mismo tiempo, la medición de fuerzas se beneficia de una pequeña masa en movimiento m. Entonces, las fuerzas más pequeñas tienen un impacto más significativo en el movimiento del sensor. Desafortunadamente, sin embargo, Estos requisitos pueden ser contradictorios:investigaciones anteriores han demostrado que una masa m baja a menudo implica un Q bajo y viceversa.

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Ahora, los investigadores dirigidos por Albert Schliesser, Profesor del Instituto Niels Bohr, han introducido un nuevo tipo de resonador nanomecánico que desafía esta regla heurística. Se basa en una membrana de nitruro de silicio estirada sobre un marco de silicio como el parche de un timpano. Sin embargo, sus dimensiones laterales están solo en el rango milimétrico, y es tan delgado como unas pocas decenas de nanómetros (Fig. 1). Su característica distintiva es un patrón de agujeros grabado a través de la membrana. La periodicidad del patrón da lugar a una banda prohibida fonónica, es decir, un rango de frecuencia en el que las ondas elásticas no se pueden propagar. Esto permite confinar las vibraciones, cuya frecuencia cae en este rango, a una isla central sin agujeros, que se conoce como el defecto (Fig. 2). Dado el pequeño tamaño del defecto, la masa vibrante asciende a sólo unos pocos nanogramos.

Crucialmente, el patrón de orificios también aumenta el factor Q de las vibraciones del defecto de dos formas complementarias, como explica Albert Schliesser:"Por un lado, previene la pérdida de energía vibratoria por la propagación de ondas elásticas, esto era bien sabido. Por otra parte, la parte perforada de la membrana todavía puede moverse suavemente, y así proporcionar una transición suave entre el defecto vibratorio y el marco necesariamente estático del dispositivo ". Tal sujeción suave constituye un tipo novedoso de condición límite para un elemento mecánicamente compatible, a diferencia de varias formas:'deslizante', 'anclado', "sujetado" y "libre", conocido en los libros de texto de ingeniería mecánica. Y es exactamente esta sujeción suave la que aumenta enormemente el factor Q a través de un efecto llamado dilución por disipación. los factores de calidad alcanzados de más de 200 millones no tienen precedentes para los resonadores en frecuencias de megahercios. Más notablemente, estas cifras se alcanzan a temperatura ambiente. La sabiduría convencional sugiere que los resonadores fabricados con cualquiera de los materiales más utilizados, como el cuarzo, silicio, o diamante, no puede lograr productos tan altos de frecuencia y factor de calidad, a menos que se enfríen criogénicamente. "Sin embargo, con el proceso de fabricación adecuado, nuestro enfoque puede, en principio, aplicarse a resonadores de cualquier material, y de ese modo potenciar la Q, "dice el estudiante de doctorado Yeghishe Tsaturyan, que fabricó los dispositivos en las instalaciones de nanofabricación de Danchip.

Una nueva generación de sensores cuánticos

"Esto hace que este estudio sea particularmente útil, "añade Albert Schliesser, "con nuestro modelo y simulaciones numéricas, ahora tenemos un determinista, pero un enfoque versátil para diseñar y construir resonadores extremadamente coherentes. Esto solía ser más un arte oscuro. Ahora puedes tomarlo y adaptarlo a tus necesidades ".

Pero la coherencia récord de los dispositivos creados en el presente trabajo ya es atractiva para varias aplicaciones. Especialmente los experimentos en optomecánica cuántica se beneficiarán enormemente de la coherencia mejorada casi 100 veces, en comparación con los resonadores de membrana de primera generación. Se espera que las fuerzas asociadas con las fluctuaciones del vacío cuántico sean extremadamente prominentes, permitiendo estudios detallados de sus efectos también en entornos complejos y, finalmente, temperatura ambiente. Esto permitirá nuevas investigaciones de los límites cuánticos para las mediciones de fuerza y ​​desplazamiento, conceptos de gran relevancia para el diseño de detectores de ondas gravitacionales.

Otra vía de interés es utilizar las membranas en microscopios de fuerza por resonancia magnética (MRFM). Similar a un AFM, estos instrumentos se basan en una medición de fuerza, y lograr una resolución espacial extrema a escala nanométrica. A diferencia de AFM, MRFM visualiza las propiedades magnéticas de la muestra, comparable a los escáneres de resonancia magnética conocidos por su uso clínico. En todo su potencial, MRFM promete nada menos que imágenes en 3D químicamente selectivas de, por ejemplo, un virus en resolución molecular. Esto permitiría nuevos conocimientos sobre la estructura y función de los sistemas biológicos a escala molecular. Los resonadores agujereados introducidos en el Instituto Niels Bohr podrían ayudar a alcanzar este objetivo.