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Un equipo de investigadores de la Universidad de Florida, dirigido por el Dr. Philip Feng, en colaboración con el Prof. Steven Shaw del Instituto de Tecnología de Florida, ha demostrado ahora una amplificación de señal mecánica extremadamente eficiente en resonadores mecánicos a nanoescala que funcionan con radiofrecuencia. Los dispositivos empleados en esta investigación podrían ser los resonadores mecánicos más pequeños que exhiben amplificación, y la ganancia lograda es la más alta conocida para todos los dispositivos mecánicos informados hasta la fecha.
La amplificación del desplazamiento se realiza en base al "bombeo paramétrico o amplificación paramétrica" del movimiento mecánico. La amplificación paramétrica se puede lograr principalmente cuando un parámetro del sistema es modulado por dos múltiplos de la frecuencia. Un ejemplo simple de amplificación paramétrica es un niño jugando con un columpio. El niño puede pararse y ponerse en cuclillas periódicamente dos veces en un solo período del columpio para aumentar o "amplificar" la amplitud del columpio sin que nadie lo ayude a empujar.
Los investigadores se han dado cuenta de la amplificación paramétrica en los diminutos dispositivos a nanoescala. Los amplificadores paramétricos mecánicos de cabeza de tambor a nanoescala demostrados en esta investigación consisten en un disulfuro de molibdeno semiconductor bidimensional atómicamente delgado (MoS2 ) membrana donde el grosor de los parches es de 0,7, 2,8, 7,7 nanómetros con 1,8 micrómetros de diámetro y 0,0018–0,020 m 3 en volumen. Los nanotambores se fabrican transfiriendo nanoláminas exfoliadas de cristal a granel sobre microcavidades para hacer nanotambores suspendidos atómicamente delgados.
Los investigadores tocan los nanotambores utilizando un láser de amplitud modulada. Cuando el láser "golpea" suavemente los nanotambores, la energía de la luz se convierte en calor y la tensión térmica puede "reproducir" o "bombear" paramétricamente el dispositivo si la activación térmica tiene el doble de frecuencia que la frecuencia de resonancia del dispositivo. Este proceso de bombeo paramétrico hace que los nanotambores vibren con mayor amplitud, de forma similar a los instrumentos de percusión en una escala mucho mayor. Los investigadores encuentran los efectos fototérmicos en el semiconductor MoS2 Los nanotambores son muy efectivos en comparación con otros dispositivos hipotéticos a nanoescala compuestos de materiales semiconductores convencionales, como el silicio, gracias a las intrigantes propiedades térmicas, ópticas y mecánicas del MoS2 atómicamente delgado. nanohojas.
Los dispositivos a nanoescala exhiben ganancias de amplificación paramétrica gigantes de hasta 3600, la ganancia paramétrica medida más alta conocida para todos los resonadores mecánicos a nano/microescala informados hasta la fecha. La ganancia paramétrica gigante se deriva de la naturaleza delgada del dispositivo. Los dispositivos tienen un grosor comparable al tamaño del átomo, lo que conduce a una ganancia paramétrica extremadamente alta en dispositivos mecánicos diminutos.
La amplificación paramétrica altamente eficiente podría adaptarse para detectar movimientos mecánicos ultrapequeños. En dispositivos mecánicos a nanoescala, ha sido un desafío tener un método de transducción de señal de desplazamiento eficiente. A menudo se ha conectado a circuitos electrónicos, pero las señales de desplazamiento a menudo se superponen al fondo eléctrico mucho más grande y al ruido de la electrónica de lectura. Usando la amplificación paramétrica, es posible amplificar primero la señal directamente en el dominio mecánico antes de la transducción eléctrica, lo que nos permite aliviar el exceso de ruido del amplificador.
El beneficio adicional de la amplificación paramétrica es que la amplificación paramétrica compensa la pérdida de energía intrínseca de los resonadores, lo que limita la vibración mecánica dentro de un ancho de banda de frecuencia muy estrecho. En comparación con la respuesta de frecuencia antes de la amplificación paramétrica, se han demostrado factores de reducción del ancho de banda o del ancho de banda de hasta 180 000 en el resonador a nanoescala, lo que mejora en gran medida la capacidad de seleccionar la frecuencia de resonancia. Los investigadores explicaron que el ancho de línea estrecho es fundamental para algunas aplicaciones, incluida la construcción de un reloj preciso y, por lo tanto, la amplificación paramétrica demostrada en esta investigación ayudaría a construir dispositivos de temporización de alto rendimiento.
Los investigadores creen firmemente que este trabajo será de gran interés y tendrá un impacto significativo en las áreas de materiales y dispositivos atómicamente delgados emergentes, sensores y actuadores nanoelectromecánicos (NEMS), operación paramétrica de resonadores a nanoescala y nanomecánica. Los investigadores también pueden esperar que, cuando se implementen con un diseño cuidadoso y un control de ingeniería mejorado, estos pequeños dispositivos se convertirán en un enfoque poderoso y posiblemente en un nuevo paradigma para realizar sensores de alto rendimiento y otros dispositivos de procesamiento de información, tanto en ingeniería clásica como cuántica, metrología. y otras aplicaciones en las que la amplificación paramétrica jugará un papel importante.
Este trabajo ahora se acepta formalmente en Revisiones de física aplicada . Investigadores demuestran un sistema de medición capaz de resolver fluctuaciones cuánticas
