Επιλεγμένα

Νανομηχανική: Επιστήμονες της EPFL πραγματοποιούν δόνηση νανοχορδής και στοχεύουν να αγγίξουν το κενό

Από στις 12 Απριλίου 2018

Επιστήμονες της EPFL χρησιμοποίησαν παραμόρφωση για να οργανώσουν τη δόνηση νανοχορδής. Με βάση αυτό η ομάδα των επιστημόνων υλοποίησε ένα μηχανικό ταλαντωτή με τον υψηλότερο παράγοντα ποιότητας που καταγράφηκε ποτέ σε θερμοκρασία δωματίου.

Οι ακραίες τάσεις που μπορούν να συμβούν σε νανοκλίμακα, προκαλούν ασυνήθιστες ιδιότητες σε υλικό. Ερευνητές στο Εργαστήριο του καθηγητή Kippenberg Tobias, στην EPFL, έχουν αξιοποιήσει το φαινόμενο αυτό για να μειώσουν την εσωτερική τριβή μιας νανοχορδής σε πρωτοφανή βαθμό. Σε θερμοκρασία δωματίου καταστάσεις της χορδής μπορούν να υφίστανται 1 δισεκατομμύριο ταλαντώσεις πριν αλληλεπιδράσουν με το θερμικό περιβάλλον. Οι νόμοι της κβαντομηχανικής εμπλέκονται σε μια πρακτική περιγραφή μιας τέτοιας συσκευής, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε νέες εφαρμογές. Η εργασία δημοσιεύεται στο Science.

Ένα μάθημα διαχείρισης τάσης

Για ένα μηχανολόγο μηχανικό, η τάση (stress) είναι συνήθως ένα πρόβλημα. Με κατάλληλη διαχείριση, ωστόσο, μπορεί επίσης να είναι ένα ισχυρό εργαλείο. Ένα παράδειγμα είναι το σύγχρονο τρανζίστορ, του οποίου η ταχύτητα λειτουργίας βελτιώνεται πιέζοντας τοπικά το υλικό πυριτίου της πύλης του. Η αρχή πίσω από αυτή τη βελτίωση είναι η παραμόρφωση (strain): Ένα ελαστικό σώμα ανταποκρίνεται στην τάση προσαρμόζοντας την απόσταση μεταξύ των ατόμων που τη συνιστούν, η οποία έπειτα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελεγχθούν οι ιδιότητες των ηλεκτρονίων του.

Η τάση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί η σκέδαση ενός ελαστικού σώματος. Τεντώνοντας μια χορδή κιθάρας, για παράδειγμα, θα αλλάξει όχι μόνο ο ήχος της (η συχνότητα δόνησής της), αλλά επίσης ο παράγοντας ποιότητας (ο αριθμός των δονήσεων που παράγονται με ένα απλό γρατζούνισμα). Το φαινόμενο αυτό γνωστό ως «διάλυση σκέδασης», είναι ανεπιθύμητο σε πολλούς μουσικούς κύκλους, όμως σε άλλα πεδία μπορεί να είναι ένα τρομερό πλεονέκτημα.

Το μεγαλύτερο δεν είναι πάντα καλύτερο

Ένα τέτοιο πεδίο είναι η νανομηχανική, όπου ο παράγοντας ποιότητας μιας δόνησης υπαγορεύει τη χρησιμότητά του για εφαρμογές όπως η ανίχνευση δύναμης. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας , νανομηχανικοί ταλαντωτές που παραμορφώνονται έχουν αναδυθεί ως ένα σημαντικό παράδειγμα εξαιτίας των αφύσικα υψηλών τους παραγόντων ποιότητας. Ωστόσο, αυτή η πορεία δεν είναι τόσο μια επιλογή σχεδιασμού όσο ένα τέχνημα μεγάλων τάσεων που φυσικά παράγονται στη νανοκλίμακα.

Εξοπλισμένοι με ένα ισχυρό σύνολο εργαλείων στο Κέντρο ΜικροΝανοΤεχνολογίας στην EPFL, οι ερευνητές στο εργαστήριο του Kippenberg προέβησαν στο σχεδιασμό νανομηχανικών συσκευών με επιτηδευμένα ενισχυμένες τάση και διάλυση σκέδασης. Βρήκαν ότι μια χορδή έχει μια ιδεώδη γεωμετρία για αυτό, αν και η κίνησή της πρέπει να εντοπιστεί μακριά από τα υποστηρίγματά της και να συν-εντοπιστεί μαζί με το προφίλ της εσωτερικής της τάσης.

Ικανοποιώντας αυτές τις απαιτήσεις, οι ερευνητές σχεδίασαν τη χορδή μέσα σε ένα φωνονικό κρύσταλλο: μια περιοδική δομή στην οποία οι δονήσεις μπορούν να παγιδευτούν γύρω από μια κεντρική ανωμαλία. Για να συν-εντοπίσουν τη παραμόρφωση, η ανωμαλία προσεκτικά ελαττώθηκε και ολόκληρο το μοτίβο εντυπώθηκε σε μια χορδή με πάχος περίπου 10 nm και μάκρος 1 cm (ισοδύναμο του τεντώματος της γέφυρας Golden Gate [1.6 km] από τη μία πλευρά στην άλλη του Ειρηνικού ωκεανού).

Μετρήσεις που έγιναν με συσκευές νανοχορδών σε θερμοκρασία δωματίου αποκάλυψαν εντοπισμένες καταστάσεις που δονούνται στα 1 MHz για δεκάδες λεπτά, που ανταποκρίνεται σε έναν παράγοντα ποιότητας 800 εκατομμύρια. Με μεταφορά σε μια τυπική χορδή κιθάρας, μια ισοδύναμη «νότα» θα παίζει για ένα μήνα.

Αγγίζοντας το κενό

Χάρη στη μικρή τους μάζα και τους ακραίους παράγοντες ποιότητας, ταλαντωτές παρόμοιοι με αυτούς που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο του Kippenberg αναμένεται να έχουν σημαντική επίδραση σε παραδοσιακές εφαρμογές ανίχνευσης. Λειτουργώντας ως αισθητήρες δύναμης, για παράδειγμα, μπορούν να ανιχνεύσουν τοπικές διαταραχές στο επίπεδο των attonewtons (1 attonewton = 10^-18 newtons), ισοδύναμο με τη βαρυτική έλξη μεταξύ δυο ανθρώπων.

Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή είναι αυτή που μπορεί να ανιχνεύσει ασθενείς φωτεινές δυνάμεις. Με τη σύζευξη μιας νανοχορδής με έναν οπτικό κυματαγωγό, το εργαστήριο του Kippenberg πρόσφατα έδειξε την ικανότητα να «γίνεται αισθητές» οι μικρές διακυμάνσεις κενού μιας δέσμης λέιζερ, μαρτυρώντας άμεσα την υποκείμενη σωματιδιακή του φύση (φωτόνιο). Σε μια εκπληκτική παραλλαγή, οι ερευνητές έδειξαν πώς η μέτρηση αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει μια μη-κλασική κατάσταση του φωτός, γνωστή ως συμπιεσμένο φως, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει την ευαισθησία ενός οπτικού συμβολόμετρου.

Τώρα, οι ερευνητές θέτουν ένα διαφορετικό ερώτημα: είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο πεδίο φωτός για να «δουν» τις διακυμάνσεις κενού μιας νανοχορδής (μια συνέπεια της όμοιας με φωνόνιο φύσης του); «Η Αρχή Αβεβαιότητας του Heisenberg προβλέπει ότι οι δυο δυνατότητες είναι ανάλογες», λέει ο Dalziel Wilson, ένας από τους συγγραφείς τη μελέτης. «Η λειτουργία σε αυτό το αποκαλούμενο τυπικό κβαντικό όριο, δίνει τη δυνατότητα της ψύξης μηχανικού αντικειμένου μεγέθους που να είναι αισθητό, από τη θερμοκρασία δωματίου στο απόλυτο μηδέν (η θεμελιώδης κινητική του κατάσταση), το αρχικό σημείο για μυριάδες κβαντικά πειράματα».

Πηγή: EPFL

Περισσότερα στη δημοσίευση: Elastic strain engineering for ultralow mechanical dissipation. Science.

Egno Editorial

Egno Editorial

Το Editorial Team του egno. Επικοινωνήστε μαζί μας μέσω της φόρμας επικοινωνίας.