Forskare från TU Delfts Kavli Institute of Nanoscience har visat att de kan upptäcka extremt små förändringar i position och krafter på mycket små trummor av grafen. Grafentrummor har stor potential att användas som sensorer i enheter som mobiltelefoner. Genom att använda sina unika mekaniska egenskaper, dessa trummor kan också fungera som minneschips i en kvantdator. Forskarna presenterar sina resultat i en artikel i den 24 augusti upplagan av Naturens nanoteknik . Forskningen finansierades av FOM Foundation, EU:s Marie-Curie-program, och NWO.

Grafen är känt för sina speciella elektriska egenskaper, men forskningen om den tunna enskiktsgrafiten utökades nyligen för att utforska grafen som ett mekaniskt föremål. Tack vare deras extremt låga massa, små ark av grafen kan användas på samma sätt som en musikers trumskinn. I experimentet, forskare använder mikrovågsfrekvensljus för att "spela" grafentrummor, att lyssna på dess 'nanoljud', och att utforska hur grafen i dessa trummor rör sig.

Dr. Vibhor Singh och hans kollegor gjorde detta genom att använda ett 2D-kristallmembran som en spegel i en "optomekanisk hålighet". "Inom optomekaniken använder du ljusets interferensmönster för att upptäcka små förändringar i ett objekts position. I detta experiment, vi sköt mikrovågsfotoner mot en liten grafentrumma. Trumman fungerar som en spegel:genom att titta på interferensen från mikrovågsfotonerna som studsar bort från trumman, vi kan känna av små förändringar i positionen för grafenarket på endast 17 femtometer, nästan 1/10000-del av en atoms diameter.", Singh förklarar.

Mikrovågsljuset i experimentet är inte bara bra för att detektera trummans position, men kan också trycka på trumman med en kraft. Denna kraft från ljus är extremt liten, men den lilla massan av grafenarket och de små förskjutningarna de kan upptäcka gör att vetenskapsmannen kan använda dessa krafter för att "slå på trumman":forskarna kan skaka grafentrumman med ljusets rörelsemängd. Med hjälp av detta stråltryck, de gjorde en förstärkare där mikrovågssignaler, som de i din mobiltelefon, förstärks av trummans mekaniska rörelse.

Forskarna visar också att du kan använda dessa trummor som "minneschips" för mikrovågsfotoner, omvandlar fotoner till mekaniska vibrationer och lagrar dem i upp till 10 millisekunder. Även om det inte är långt med mänskliga mått mätt, det är lång tid för ett datorchip. "Ett av projektets långsiktiga mål är att utforska 2D-kristalltrummor för att studera kvantrörelser. Om du slår en klassisk trumma med en pinne, trumskinnet börjar oscillera, skakar upp och ner. Med en kvanttrumma, dock, du kan inte bara få trumskinnet att röra sig upp och sedan ner, men också göra det till en "kvantsuperposition", där trumhuvudet både rör sig uppåt och nedåt samtidigt ", säger forskargruppsledaren Dr Gary Steele. "Denna "märkliga" kvantrörelse är inte bara av vetenskaplig relevans, men kan också ha mycket praktiska tillämpningar i en kvantdator som ett kvant-"minneschip"".

I en kvantdator, det faktum att kvant-"bitar" som kan vara både i tillståndet 0 och 1 samtidigt gör det möjligt för den att utföra beräkningar mycket snabbare än en klassisk dator som de som används idag. Kvantgrafentrummor som "skakar upp och ner samtidigt" skulle kunna användas för att lagra kvantinformation på samma sätt som RAM-chips i din dator, så att du kan lagra ditt kvantberäkningsresultat och hämta det vid ett senare tillfälle genom att lyssna på dess kvantljud.