Los modos de vibración de los resonadores nanomecánicos son análogos a las diferentes notas de una cuerda de guitarra y tienen propiedades similares, como la frecuencia (tono) y la vida útil. La vida útil se caracteriza por el factor de calidad, que es el número de veces que el resonador oscila hasta que su energía se reduce en un 70%. El factor de calidad es crucial para las aplicaciones modernas de los resonadores mecánicos, ya que determina el nivel de ruido térmico, que es un límite para la detección de fuerzas débiles y la observación de efectos cuánticos.

Ahora, los científicos de la EPFL dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg muestran que un polígono regular suspendido en sus vértices admite modos de vibración a lo largo del perímetro con factores de calidad extremadamente altos. Esto es consecuencia de la simetría geométrica de los polígonos regulares, combinada con las propiedades elásticas de las estructuras bajo tensión. Este enfoque de la ingeniería de pérdida tiene una ventaja importante sobre las técnicas anteriores:obtener factores de alta calidad en dispositivos que ocupan mucho menos espacio.

"Los nuevos modos perimetrales no solo baten el récord del factor de calidad más alto, sino que son casi 20 veces más compactos que los dispositivos con un rendimiento similar", dice Nils Engelsen, autor principal del estudio. "La compacidad viene con beneficios prácticos reales. En nuestro laboratorio, tratamos de medir y controlar las vibraciones mecánicas a nivel cuántico usando luz, lo que requiere la suspensión de resonadores mecánicos a menos de un micrómetro de una estructura que guía la luz. Esta hazaña es mucho más simple con dispositivos compactos".

El diseño sencillo de los resonadores poligonales permite a los autores dar un paso más y crear una cadena de resonadores poligonales conectados. Esta cadena de osciladores acoplados puede comportarse de manera sorprendentemente diferente a un solo resonador. Los autores estudian la dinámica particular de esta cadena, que surge de la forma en que se conectan los resonadores.

La detección de fuerza de precisión es una aplicación importante de los resonadores nanomecánicos. Al medir las fluctuaciones de posición de un resonador poligonal utilizando un interferómetro óptico, los autores demuestran que estos resonadores pueden medir fluctuaciones de fuerza tan bajas como 1 attonewton. Este nivel de sensibilidad se acerca al de los microscopios de fuerza atómica de última generación.

"Esperamos que la sensibilidad a la fuerza demostrada de los polígonos combinada con su compacidad y simplicidad inspire su uso en microscopios de fuerza reales", dice Mohammad Bereyhi, quien dirigió el estudio publicado en Physical Review X .

"Hasta ahora, las mejoras en los factores de calidad mecánica se han producido a costa de un mayor tamaño y una mayor complejidad del diseño, lo que hace que los dispositivos de última generación sean muy difíciles de fabricar. Con los modos perimetrales es una historia diferente. Creo que la simplicidad de este nuevo diseño amplía enormemente su potencial para encontrar aplicaciones nuevas y prometedoras". + Explora más

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