Datorer som ryms i våra fickor, tv-skärmar som inte är tjockare än en dörr, och bilar som bara är något större än sina passagerare, tekniken blir ständigt mindre. En viktig anledning till denna miniatyrisering är utvecklingen av resonatorer i nanostorlek, som omvandlar små nivåer av elektrisk kraft till mekaniska svängningar vid höga frekvenser.

"Nano-elektromekaniska resonatorer används i alla typer av modern teknik. Du kanske inte ser dem, men de kan hittas inom robotik, medicinska verktyg och miljösensorer, " säger Osaka University Professor Hidezaku Tanaka, som utvecklar ny nanoteknik.

Tidigare i år, Tanaka och hans forskargrupp rapporterade om en fristående nanotråd som kunde minska kraftbehovet för nano-resonatorer med en faktor hundra.

"Övergångsmetaller genomgår en isolator till metallövergång. Vi gjorde fristående nanotrådar gjorda av vanadindioxid (VO2) som hade hög prestanda vid låg effekt."

Fasövergången kan ske genom att injicera elektrisk kraft i VO2-kristaller. Eftersom det mekaniska svaret på kraften är icke-linjärt, Tanaka visade att oöverträffade låga nivåer av kraft kunde användas för att generera en oproportionerligt stark mekanisk respons. Tanaka fann att trådens fristående karaktär är nyckeln, eftersom annars icke-linjäriteten och därmed energieffektiviteten var mycket mindre.

"Att bygga den fristående nanotråden var inte lätt. Metalloxider är väldigt styva och spröda. Vi kunde tillverka nanotrådarna genom att odla dem på magnesiumoxid (MgO) och sedan etsa bort MgO-skiktet."

I sin senaste publikation, samarbetsteamet av Tanaka-gruppen, Professor Daniele Marré-gruppen i Italien och Dr. Nicola Manca i Nederländerna för att fastställa hur enkel konstruktionen av nano-resonatorer med hjälp av hans VO2 fristående nanotrådar kan vara. På grund av de elektromekaniska egenskaperna hos VO2-kristaller och hans fristående design, nanotrådarna kunde generera mekaniska svängningar vid MHz-frekvenser med hjälp av något annat än en enkel likströmskälla. Denna effektiva omvandling av elektrisk energi till mekaniskt arbete minskar behovet av dedikerade elektroniska enheter, vilket möjliggör skapandet av ännu mindre nano-elektromekaniska system (NEMS) än vad som för närvarande används.

Nanotrådarna är beroende av de spontana svängningarna i den elektriska signalen som orsakas av fasövergångar i VO2. Dessa elektriska svängningar gör att VO2 nanotrådarna också svänger, men den icke-linjära elektromekaniska kopplingen innebär att den kraften på nanoskalan kan generera VO2-svängningar vid MHz-frekvenser. Teamet visade att den extra energin för kristalloscillationerna kommer i form av värme som orsakas av den elektriska kraften.

"Vi satte upp vår design så att en Joule-effekt var lokaliserad till ett gap av exponerad VO2. Vi fann att energikällan för det mekaniska svaret domineras av termiska förluster och inte elektrisk kraft, sa Tanaka.

Att designa ett NEMS som effektivt utnyttjar värme som genereras av fasövergångarna ger ett nytt paradigm för energieffektiv teknik.

"Vårt system är enkelt och skalbart. Det öppnar möjligheten att realisera NEMS som har snabb omkoppling och drivs av en likströmskälla."