Investigadores de TU Delft y la Universidad de Brown han diseñado resonadores en forma de cuerdas capaces de vibrar durante más tiempo a temperatura ambiente que cualquier objeto de estado sólido conocido anteriormente, acercándose a lo que actualmente solo se puede lograr a temperaturas cercanas al cero absoluto. Su estudio, publicado en Nature Communications , impulsa la nanotecnología y el aprendizaje automático para crear algunos de los sensores mecánicos más sensibles del mundo.
Las nanocuerdas recientemente desarrolladas cuentan con los factores de calidad mecánica más altos jamás registrados para cualquier objeto de sujeción en ambientes a temperatura ambiente; en su caso sujetos a un microchip. Esto hace que la tecnología sea interesante para la integración con plataformas de microchips existentes.
Los factores de calidad mecánica representan qué tan bien sale la energía de un objeto vibrante. Estas cuerdas están especialmente diseñadas para atrapar las vibraciones y no dejar que su energía se escape.
"Imagínese un columpio que, una vez empujado, sigue oscilando durante casi 100 años porque casi no pierde energía a través de las cuerdas", dice el profesor asociado Richard Norte.
Y añade:"Nuestras nanocuerdas hacen algo similar, pero en lugar de vibrar una vez por segundo como un columpio, nuestras cuerdas vibran 100.000 veces por segundo. Debido a que es difícil que la energía se escape, también significa que es difícil entrar al ruido ambiental, lo que hace que estas algunos de los mejores sensores para ambientes a temperatura ambiente.
"Esta innovación es fundamental para estudiar fenómenos cuánticos macroscópicos a temperatura ambiente, entornos en los que antes dichos fenómenos estaban enmascarados por el ruido. Si bien las extrañas leyes de la mecánica cuántica generalmente solo se observan en átomos individuales, la capacidad de las nanocuerdas para aislarse del calor cotidiano El ruido vibratorio basado en el sonido les permite abrir una ventana a sus propias firmas cuánticas hechas de miles de millones de átomos. En entornos cotidianos, este tipo de capacidad tendría usos interesantes para la detección basada en cuánticos."
"Nuestro proceso de fabricación va en una dirección diferente con respecto a lo que es posible hoy en día con la nanotecnología", dijo el Dr. Andrea Cupertino, quien encabezó los esfuerzos experimentales. Las cuerdas tienen 3 centímetros de largo y 70 nanómetros de grosor, pero a mayor escala, esto equivaldría a fabricar cuerdas de vidrio para guitarra suspendidas a medio kilómetro casi sin combarse.
"Este tipo de estructuras extremas sólo son factibles en nanoescalas donde los efectos de la gravedad y el peso entran de manera diferente. Esto permite estructuras que serían inviables en nuestras escalas cotidianas, pero que son particularmente útiles en dispositivos en miniatura utilizados para medir cantidades físicas como la presión, la temperatura. , aceleración y campos magnéticos, lo que llamamos detección MEMS", explica Cupertino.
Las nanocuerdas se elaboran utilizando técnicas de nanotecnología avanzadas desarrolladas en la TU Delft, superando los límites de cómo se pueden fabricar nanoestructuras suspendidas delgadas y largas. Una clave de la colaboración es que estas nanoestructuras se pueden fabricar de forma tan perfecta en un microchip que existe una extraordinaria coincidencia entre simulaciones y experimentos, lo que significa que las simulaciones pueden actuar como datos para algoritmos de aprendizaje automático, en lugar de experimentos costosos.
"Nuestro enfoque implicó el uso de algoritmos de aprendizaje automático para optimizar el diseño sin fabricar prototipos continuamente", señaló el autor principal, el Dr. Dongil Shin, quien desarrolló estos algoritmos con Miguel Bessa.
Para mejorar aún más la eficiencia del diseño de estas grandes estructuras detalladas, los algoritmos de aprendizaje automático utilizaron inteligentemente conocimientos de experimentos de cuerdas más simples y más cortos para refinar los diseños de cuerdas más largas, haciendo que el proceso de desarrollo sea económico y efectivo.
Según Norte, el éxito de este proyecto es un testimonio de la fructífera colaboración entre expertos en nanotecnología y aprendizaje automático, lo que subraya la naturaleza interdisciplinaria de la investigación científica de vanguardia.
Las implicaciones de estas nanocuerdas van más allá de la ciencia básica. Ofrecen nuevas vías prometedoras para integrar sensores altamente sensibles con tecnología de microchip estándar, lo que lleva a nuevos enfoques en la detección basada en vibraciones.
Si bien estos estudios iniciales se centran en cuerdas, los conceptos se pueden ampliar a diseños más complejos para medir otros parámetros importantes como la aceleración para la navegación inercial o algo que se parezca más a un parche vibrante para micrófonos de próxima generación. Esta investigación demuestra la amplia gama de posibilidades que existen al combinar los avances de la nanotecnología con el aprendizaje automático para abrir nuevas fronteras en la tecnología.
Más información: Andrea Cupertino et al, Resonadores nanomecánicos a escala centimétrica con baja disipación, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48183-7
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Delft
