Konstnärs återgivning av vibrationsmönstren hos kristallina kiselsträngar i nanoskala. Kredit:Daniele Francaviglia
Att dra åt ett snöre, t.ex. när du stämmer en gitarr, får den att vibrera snabbare. Men när strängar är i nanostorlek minskar ökad spänning också förlusten av strängens vibrationslägen, eller "utspäder".
Denna effekt, känd som "förlustutspädning", har utnyttjats för att utveckla mekaniska anordningar för kvantteknik, där konstruerade, spända nanosträngar med en tjocklek på bara några tiotals atomlager svänger mer än tio miljarder gånger efter att ha plockats bara en gång. Motsvarigheten på en gitarr skulle vara ett ackord som hördes i ungefär ett år efter att ha plockats.
Forskare vid EPFL, med professor Tobias J. Kippenberg i spetsen, har nu gjort en enkel observation om kristalloscillatorer, som används överallt i elektroniska enheter och är kända för att ha extremt små mekaniska energiförluster vid låg temperatur. Forskarna bevisade att om ett kristallint material med nanoskala tjocklek sträcks med hög spänning och bibehåller sin atomära ordning, skulle det vara en bra kandidat för att göra strängar med långlivade akustiska vibrationer. Studien publiceras i Nature Physics .
"Vi valde ansträngda kiselfilmer eftersom det är en etablerad teknik inom elektronikindustrin, där de används för att förbättra prestanda hos transistorer", säger Dr Nils Engelsen, en av tidningens författare. "Ansträngda kiselfilmer är därför kommersiellt tillgängliga i extremt små tjocklekar på cirka 10 nanometer."
En stor utmaning är att nanosträngarna ska ha extrema bildförhållanden. I denna uppsats är de nanomekaniska enheterna 12 nanometer tjocka och upp till 6 millimeter långa. Om en sådan nanosträng byggdes upprätt, med en grunddiameter lika med Burj Khalifa-tornets, skulle dess spets överträffa Medium Earth Orbit, där GPS-satelliter kretsar runt jorden.
"Dessa strukturer blir ömtåliga och mottagliga för små störningar under de sista stegen av deras mikrotillverkning", säger Alberto Beccari, en Ph.D. student i Kippenbergs labb, och tidningens första författare. "Vi var tvungna att helt förnya vårt tillverkningsprotokoll för att kunna avbryta dem utan katastrofal kollaps."
De spända nanosträngarna av kisel är särskilt intressanta för kvantmekaniska experiment, där deras låga förlusthastighet ger utmärkt isolering från miljöstörningar, vilket möjliggör skapandet av kvanttillstånd med hög renhet.
"En långvarig strävan inom fundamental fysik är att studera och utöka storleken och massskalorna för objekt som uppvisar kvantmekaniskt beteende, innan de ständigt ökande slumpmässiga "sparkarna" och fluktuationerna från den heta, bullriga miljön tvingar dem att bete sig enligt till Newton-mekanikens lagar", säger Beccari. "Kvantummekaniska effekter har redan observerats med mekaniska resonatorer av samma storlek och massa, vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten.
"Dessutom skulle dessa nanosträngar kunna användas som precisionskraftsensorer och utsättas för alla slags interaktioner - till exempel för det minimala strålningstrycket från ljusstrålar, för svaga interaktioner med mörk materia partiklar och för magnetiska fält som produceras av subatomära partiklar. " + Utforska vidare
