Energiförlust är en nyckelingrediens för att förstå många fysiska fenomen inom termodynamiken, fotonik, kemiska reaktioner, Kärnfission, fotonemissioner, eller till och med elektroniska kretsar, bland andra.

I ett vibrerande system, energiförlusten kvantifieras av kvalitetsfaktorn. Om kvalitetsfaktorn för resonatorn är hög, den mekaniska energin kommer att försvinna i mycket låg hastighet, och därför kommer resonatorn att vara extremt noggrann när det gäller att mäta eller känna av föremål, vilket gör att dessa system kan bli mycket känsliga mass- och kraftsensorer, samt spännande kvantsystem.

Ta, till exempel, en gitarrsträng och få den att vibrera. Vibrationen som skapas i strängen resonerar i gitarrens kropp. Eftersom kroppens vibrationer är starkt kopplade till den omgivande luften, energin från strängvibrationen kommer att försvinna mer effektivt i miljöbadet, öka volymen på ljudet. Förfallet är välkänt för att vara linjärt, eftersom det inte beror på vibrationsamplituden.

Nu, ta gitarrsträngen och krymp ner den till nanometerdimensioner för att få en nano-mekanisk resonator. I dessa nanosystem, energiförlust har observerats bero på vibrationens amplitud, beskrivs som ett icke-linjärt fenomen, och hittills har ingen föreslagen teori visat sig korrekt beskriva denna försvinnandeprocess.

I en nyligen genomförd studie, publicerad i Naturens nanoteknik , ICFO-forskarna Johannes Güttinger, Adrien Noury, Peter Weber, Camille Lagoin, Joel Moser, ledd av prof. vid ICFO Adrian Bachtold, i samarbete med forskare från Chalmers tekniska högskola och ETH Zürich, har hittat en förklaring av den icke-linjära spridningsprocessen med hjälp av en nano-mekanisk resonator baserad på flerskiktsgrafen.

I sitt arbete, forskarteamet använde en grafenbaserad nano-mekanisk resonator, väl lämpad för att observera icke-linjära effekter i energisönderfallsprocesser, och mätte det med en supraledande mikrovågshålighet. Ett sådant system är kapabelt att detektera de mekaniska vibrationerna under en mycket kort tidsperiod samt att vara tillräckligt känsligt för att detektera minimala förskjutningar och över ett mycket brett intervall av vibrationsamplituder.

Teamet tog systemet, tvingade den ur jämvikt med hjälp av en drivkraft, och stängde därefter av kraften för att mäta vibrationsamplituden när energin i systemet avklingade. De utförde över 1000 mätningar för varje energiavklingningsspår och kunde observera att när energin i ett vibrationsläge avtar, sönderfallshastigheten når en punkt där den ändras abrupt till ett lägre värde. Det större energiavfallet vid vibrationer med hög amplitud kan förklaras av en modell där det uppmätta vibrationsläget "hybridiserar" med ett annat läge i systemet och de avklingar unisont. Detta motsvarar kopplingen av gitarrsträngen till kroppen även om kopplingen är olinjär i fallet med grafen nano-resonatorn. När vibrationsamplituden minskar, hastigheten ändras plötsligt och lägena frikopplas, vilket resulterar i jämförelsevis låga sönderfallshastigheter, alltså i mycket gigantiska kvalitetsfaktorer som överstiger 1 miljon. Denna plötsliga förändring i förfallet har aldrig förutspåtts eller uppmätts förrän nu.

Därför, resultaten som uppnåtts i denna studie har visat att icke-linjära effekter i grafen nano-mekaniska resonatorer avslöjar en hybridiseringseffekt vid höga energier som, om kontrollerad, skulle kunna öppna upp nya möjligheter att manipulera vibrationstillstånd, ingenjörshybridtillstånd med mekaniska lägen vid helt olika frekvenser, och att studera den kollektiva rörelsen hos mycket inställbara system.