Du kan inte höra de flesta, men världen kör på olika slags mekaniska svängningar. Till exempel, inuti det genomsnittliga elektroniska armbandsuret finns en förseglad behållare som innehåller en 3 mm lång kvartskristallresonator. Som svar på elektrisk feedback, kristallen vibrerar kontinuerligt cirka 33, 000 gånger per sekund. Den anmärkningsvärda stabiliteten hos den resonansfrekvensen, som ger klockans "tick" -frekvens, håller dig i tid.

"Men i dagens brådska att göra mindre, lättare enheter, utrymme på kretskortet är mycket värdefullt, och kvartskristaller är stora, dyr, och skör, "säger Jason Gorman från NIST's Physical Measurement Laboratory." Så, under de senaste 10 åren har det varit ett tryck för att göra mikroskala klockor, med fokus på kiselresonatorer. Målet är att utveckla mikroklockor som överträffar kvartsur i prestanda samtidigt som de är 1/100 av storleken och använder en bråkdel av kraften. "

I jakten på det målet, Gorman och kollegan Vikrant Gokhale-med hjälp av skräddarsydda konstruktioner som inte är större än en femtedel av ett människohårs bredd-har tagit fram och testat en ny metod som väsentligt förbättrar kiselresonatorns prestanda, och kan också gynna många olika typer av sensorer. Forskarna publicerade nyligen sina resultat i Tillämpad fysikbokstäver .

Klockor kräver någon mekanism som oscillerar (fästingar) med nästan exakt samma hastighet och styrka över tid, oavsett om det är en svängande pendel eller atomer som absorberar och släpper ut fotoner. En resonators förmåga att göra det exakt är direkt relaterad till dess kvalitetsfaktor (Q). En hög-Q-resonator är en som håller sig nära en enda frekvens och blöder mycket lite energi till sin omgivning; dess signal förblir stark och stabil över tiden.

I mikroskalanordningar - tillverkade med dimensioner uppmätta i mikrometer - är en nyckelfaktor för det uppnåbara Q mängden vibrationsenergi som absorberas av de små stödjorna eller "tetrarna" som hänger resonatorn från stödsubstratet. Tethers är utformade för att reflektera så mycket av vibrationsenergin som möjligt tillbaka till resonatorn, minimera spridningen. Standardkonfigurationen för en bindare är bara en rak stråle av massivt kisel.

Nyligen, andra forskare har använt tänder med mer komplex struktur baserad på upprepande geometri. Beroende på optimering av denna geometri, dessa fästen kan bara tillåta vissa frekvenser av kvantiserade vibrationer som kallas fononer att passera genom samtidigt som de reflekterar andra tillbaka. (Detta kallas en akustisk bandgap.) Således en idealisk "fononisk kristall" (PnC) -bindning skulle återspegla resonatorns resonansfrekvens, medan du sänder andra. "Eftersom mer vibrationsenergi är begränsad i resonatorn på grund av reflektioner från den fononiska kristallen, kvalitetsfaktorn förväntas förbättras jämfört med rakstrålar, säger Gokhale.

Tidiga experiment med PnC i olika tetherkonfigurationer av andra visade att kvalitetsfaktorn kunde förbättras med så mycket som en faktor tre. Dock, andra energispridningsmekanismer, såsom spänning vid gränsytorna mellan flera material och termoelastisk avledning i metallelektroder, dominerade kvalitetsfaktorn i de piezoelektriska resonatorer som används i dessa tester.

"Vi bestämde oss för att ta det vidare, "Säger Gorman." Vi visste att genom att utveckla en resonator gjord av ett enda material, kisel i detta fall, vi skulle kunna bli av med de flesta andra spridningsmekanismer som begränsar kvalitetsfaktorn. "Genom att göra det minskade spridningen till bara några få effekter som är oundvikliga och små jämfört med energiförlusten som vanligtvis orsakas av tetrar.

Med hjälp av nanofabriceringskapaciteten i NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology, de gjorde tether -arrays i rader som innehåller en, tre, eller fem PnC -celler, "och bestämde att större antal ökade reflektansen, och därmed förbättrad Q. Resultaten överträffade inte bara prestandan för konventionella snoddstänger, men närmade sig den grundläggande gränsen för inneboende spridning för materialet, uppnå högre Q än någonsin tidigare registrerat för kisel vid en resonansfrekvens över 100 MHz.

Förutom mikromekaniska klockor, detta arbete kan ha återverkningar på ett antal sensormetoder baserade på resonatorer. "Resonanta sensorer används vanligtvis för känsliga mätningar av acceleration, rotation, tvinga, och massförändringar, och känsligheten är proportionell mot den uppnåbara Q, säger Gorman.

Som ett exempel, resonanta kemiska sensorer förlitar sig på att en resonators mittfrekvens beror på dess massa. Om en molekyl av något slag - som en förorening - träffar resonatorn och fastnar där, det ändrar resonansfrekvensen. Mängden förändring beror på molekylens massa, tillåter användare att bestämma den kemiska arten. "Hög Q spelar roll i sensorer eftersom det förbättrar känsligheten för förändringar i resonansfrekvensen när en stimulans appliceras på resonatorn, "Säger Gokhale. Nya sensorteknologier baserade på resonatorn med fononiska kristallbindningar eftersträvas nu.