Det är en sak för människor att tappa tid, men vad händer när våra klockor gör det i en alltmer nätverksbaserad värld, enheter måste vara mer punktliga än någonsin. För att hålla dem igång som vi förväntar oss, de är beroende av en liten armé, vibrerande komponenter.

Ett resultat från ett team som leds av forskare vid Center for Nanoscale Materials (CNM), en amerikansk Department of Energy (DOE) användaranläggning vid Argonne National Laboratory, kan i slutändan hjälpa till att förbättra sådana komponenter inom en rad elektronik och till och med skapa enheter som efterliknar biologiska processer. Forskarna har utvecklat en mikromekanisk enhet som reagerar på yttre signaler på ett helt nytt sätt jämfört med konventionella. Deras arbete, utförs av ett team som spänner över fem institutioner inklusive Argonne, publicerades nyligen i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Nyheten här är om du exciterar denna resonator på rätt sätt, strukturen vibrerar med ett spektrum som består av flera frekvenser jämnt fördelade, trots att den drivs av en enda frekvens, "sa Daniel Lopez, gruppledare för Center for Nanoscale Materials Nanofabrication and Devices -grupp.

En typisk resonator i en elektronisk enhet svarar på en signal med en motsvarande frekvens. I armbandsur, till exempel, en kvartsresonator vibrerar vid en specifik frekvens när en viss spänning appliceras, och den vibrationen markerar tiden. Men ett multitasking -nätverk av enheter kan kräva svar med mer än en frekvens, och det är där saker blir knepiga.

"För varje enhet som körs med en specifik frekvens, du behöver en tidskälla, "sa CNM -nanovetenskaparen Dave Czaplewski, tidningens huvudförfattare. "Att ha flera enheter som körs på flera frekvenser gör systemet mycket mer komplext."

Även om ett vanligt tillvägagångssätt för detta problem involverar flera resonatorer, flera signaler eller båda, forskarna skapade en singel, mikroresonator som kan generera flera frekvenser från en signal. Denna uppsättning frekvenser kallas en frekvenskam, så uppkallad efter hur frekvenserna verkar jämnt fördelade, som tänder, när det plottas på ett diagram.

"Nyheten här är om du exciterar denna resonator på rätt sätt, strukturen vibrerar med ett spektrum som består av flera frekvenser jämnt fördelade, trots att den drivs av en enda frekvens, "sa Daniel Lopez, gruppledare för CNM:s Nanofabrication and Devices-grupp och en medförfattare till uppsatsen. "I stället för att tillverka en specifik oscillator för varje enhet, du kan tillverka en enda oscillator som kan producera en signal vid alla olika frekvenser som behövs. "

Forskningen genomfördes delvis vid CNM, där forskare utformade resonatorn och använde elektriska karakteriseringstekniker för att mäta dess svar. Kiselanordningen, som inte är större än några saltkorn från ände till ände, förankrar tre balkar som rör sig tillsammans i två vibrationer:en svängande rörelse från sida till sida och en vridning. Forskarna använde denna dualitet för att generera frekvenskammen.

"Vi använder samspelet mellan de två vibrationerna för att få detta frekvenssvar som slutligen ser ut som en frekvenskam, "Sa Czaplewski.

Frekvenskammar används oftare inom optik, där de består av laserljuspulser och kan användas för att mäta tiden exakt. I en annan applikation, denna mekaniska frekvenskam, sa forskarna, kan användas för att studera en specifik typ av dynamik som kallas en SNIC -bifurkation (sadelnod på en invariant cirkel) i mekanisk, optiska och biologiska system. I en biologisk miljö, till exempel, Att förstå detta beteende kan hjälpa till med utformningen av mikromekaniska element som efterliknar hur neuroner reagerar på stimuli. Matematiken som beskriver vibrationerna i denna resonator utfördes i samarbete med ett team av experter inom olinjär dynamik vid flera universitet.

Nästa steg i forskningen, Lopez sa, blir att reproducera frekvenskamfenomenet i högfrekventa resonatorer och förlänga antalet "tänder"-eller frekvenser-som kan genereras.