I en nyligen publicerad tidning i Naturens nanoteknik , Joel Moser och ICFO-kollegor i forskargruppen NanoOptoMechanics ledd av prof. Adrian Bachtold, tillsammans med Marc Dykman (Michigan University), rapport om ett experiment där en mekanisk resonator av kolnanorör uppvisar kvalitetsfaktorer på upp till 5 miljoner, 30 gånger bättre än de bästa kvalitetsfaktorerna som hittills uppmätts i nanorör.

Föreställ dig att värden för ett middagssällskap försöker få sina gästers uppmärksamhet genom att ge ett enda tryck av sin ostronsked på hans kristallglas. Nu, tänka, till allas förvåning, att kristallglaset vibrerar i flera långa minuter, producerar ett tydligt ringande ljud. Säkert skulle gästerna förundras över denna nästan aldrig sinande kristallton. Vissa kanske till och med vill undersöka ursprunget till detta fenomen snarare än att lyssna på värdens tal.

Hemligheten med ett sådant imaginärt non-stop vibrerande system bygger på det faktum att det avleder väldigt lite energi. Energiförlusten av ett vibrerande system kvantifieras av kvalitetsfaktorn. I laboratorier, genom att känna till kvalitetsfaktorn, forskare kan kvantifiera hur länge systemet kan vibrera och hur mycket energi som går förlorad i processen. Detta gör att de kan bestämma hur exakt resonatorn kan vara vid mätning eller avkänning av föremål.

Forskare använder mekaniska resonatorer för att studera alla möjliga fysiska fenomen. Nu för tiden, Mekaniska resonatorer av kolnanorör är efterfrågade på grund av sin extremt lilla storlek och deras enastående förmåga att känna av föremål på nanoskala. Även om de är mycket bra mass- och kraftsensorer, deras kvalitetsfaktorer har varit något blygsamma. Dock, upptäckten av ICFO-forskarna är ett stort framsteg inom området nanomekanik och en spännande utgångspunkt för framtida innovativa teknologier.

Vad är en mekanisk resonator?

En mekanisk resonator är ett system som vibrerar vid mycket exakta frekvenser. Som en gitarrsträng eller en lina, en kolnanorörsresonator består av en liten, vibrerande broliknande (sträng) struktur med typiska dimensioner på 1m i längd och 1nm i diameter. Om kvalitetsfaktorn för resonatorn är hög, strängen kommer att vibrera med en mycket exakt frekvens, vilket gör det möjligt för dessa system att bli tilltalande mass- och kraftsensorer, och spännande kvantsystem.

Varför är denna upptäckt så viktig?

Under många år, forskare observerade att kvalitetsfaktorer minskade med volymen på resonatorn, det vill säga ju mindre resonator desto lägre kvalitetsfaktor, och på grund av denna trend var det otänkbart att nanorör kunde uppvisa jättelika kvalitetsfaktorer.

De gigantiska kvalitetsfaktorer som ICFO-forskare har mätt har inte observerats tidigare i nanorörsresonatorer, främst på grund av att deras vibrationstillstånd är extremt ömtåligt och lätt störs när de mäts. Värdena som upptäckts av teamet av forskare uppnåddes genom användning av ett ultrarent nanorör vid kryostattemperaturer på 30 mK (-273,12 Celsius- kallare än temperaturen i yttre rymden!) och genom att använda en metod med ultralågt brus för att upptäcka små vibrationer snabbt och samtidigt minska det elektrostatiska bruset så mycket som möjligt.

Joel Moser hävdar att det har varit svårt att hitta dessa kvalitetsfaktorer eftersom "nanorörsresonatorer är enormt känsliga för omgivande elektriska laddningar som fluktuerar konstant. Denna stormiga miljö påverkar starkt vår förmåga att fånga det inneboende beteendet hos nanorörsresonatorer. Av denna anledning, vi var tvungna att ta ett mycket stort antal ögonblicksbilder av nanorörets mekaniska beteende. Endast ett fåtal av dessa ögonblicksbilder fångade den inneboende naturen hos nanorörets dynamik, när stormen ett ögonblick gav upp. Under dessa korta, lugna stunder, nanoröret avslöjade sin ultrahöga kvalitetsfaktor för oss".

Med upptäckten av sådana högkvalitativa faktorer från denna studie, ICFO-forskare har öppnat en helt ny värld av möjligheter för att känna av tillämpningar, och kvantexperiment. Till exempel, nanorörsresonatorer kan användas för att detektera enskilda kärnspinn, vilket skulle vara ett viktigt steg mot magnetisk resonanstomografi (MRT) med en rumslig upplösning på atomnivå. För tillfället, Adrian Bachtold kommenterar att "att uppnå MRT på atomär nivå skulle vara fantastiskt. Men, för detta, vi skulle först behöva lösa olika tekniska problem som är extremt utmanande."