Ett team av forskare från University of Florida, ledd av Dr. Philip Feng, i samarbete med Prof. Steven Shaw vid Florida Institute of Technology, har nu visat extremt högeffektiv mekanisk signalförstärkning i mekaniska resonatorer i nanoskala som arbetar på radiofrekvens. De enheter som används i denna forskning kan vara de minsta mekaniska resonatorerna som uppvisar förstärkning, och den uppnådda förstärkningen är den högsta kända för alla mekaniska enheter som rapporterats hittills.

Förskjutningsförstärkningen realiseras baserat på "parametrisk pumpning eller parametrisk förstärkning" av mekanisk rörelse. Parametrisk förstärkning kan huvudsakligen uppnås när en parameter i systemet moduleras med två gånger multipler av frekvensen. Ett enkelt exempel på parametrisk förstärkning är ett barn som spelar en gunga. Barnet kan med jämna mellanrum stå och sitta på huk två gånger under en enda period av svingen för att öka eller "förstärka" svingamplituden utan att någon hjälper till att trycka.

Forskarna har insett den parametriska förstärkningen i de små enheterna i nanoskala. De mekaniska parametriska trumskinnsförstärkarna i nanoskala som demonstreras i denna forskning består av en atomärt tunn tvådimensionell halvledande molybdendisulfid (MoS₂ ) membran där trumskinnarnas tjocklek är 0,7, 2,8, 7,7 nanometer med 1,8 mikrometer i diameter och 0,0018–0,020 m ³ i volym. Nanodrums tillverkas genom att överföra nanosheet exfolierat från bulkkristall över mikrohåligheter för att göra suspenderade atomärt tunna nanodrums.

Forskarna spelar nanodrums med hjälp av en amplitudmodulerad laser. När lasern försiktigt "träffar" nanodrums omvandlas ljusenergin till värme, och termisk stress kan parametriskt "spela" eller "pumpa" enheten om den termiska aktiveringen har dubbelt så hög frekvens som enhetens resonansfrekvens. Denna parametriska pumpprocess gör att nanodrums vibrerar med större amplitud, liknande slagverksinstrument i mycket större skala. Forskare hittar de fototermiska effekterna i det halvledande MoS₂ nanodrums är mycket effektiva jämfört med andra hypotetiska enheter i nanoskala som består av vanliga halvledande material som kisel tack vare spännande termiska, optiska och mekaniska egenskaper hos atomärt tunna MoS₂ nanoark.

Nanoskaleenheterna uppvisar enorma parametriska förstärkningsförstärkningar upp till 3600, den högsta uppmätta parametriska förstärkningen som är känd för alla mekaniska resonatorer i nano/mikroskala som rapporterats hittills. Den enorma parametriska förstärkningen härrör från enhetens ytterst tunna natur. Enheterna har en tjocklek som är jämförbar med atomstorleken, vilket leder till den extremt höga parametriska vinsten i små mekaniska enheter.

Den mycket effektiva parametriska förstärkningen kan anpassas för att detektera ultrasmå mekaniska rörelser. I mekaniska enheter i nanoskala har det varit utmanande att ha en effektiv metod för omvandling av förskjutningssignaler. Den har ofta anslutit till elektroniska kretsar, men förskjutningssignaler överlagras ofta på den mycket större elektriska bakgrunden och bruset från avläsningselektroniken. Med hjälp av parametrisk förstärkning är det möjligt att först förstärka signalen direkt i den mekaniska domänen före elektrisk transduktion, vilket gör att vi kan lindra överskott av förstärkarbrus.

Den ytterligare fördelen med den parametriska förstärkningen är att den parametriska förstärkningen kompenserar resonatorernas inneboende energiförlust, vilket begränsar mekanisk vibration inom en mycket smal frekvensbandbredd. Jämfört med frekvenssvaret före den parametriska förstärkningen, har linjebredds- eller bandbreddsavsmalningsfaktorer upp till 180 000 demonstrerats i nanoskalaresonatorn, vilket avsevärt förbättrar möjligheten att välja resonansfrekvens. Forskarna förklarade att den smala linjebredden är avgörande för vissa applikationer, inklusive att bygga en exakt klocka, och därför skulle den parametriska förstärkningen som demonstreras i denna forskning hjälpa till att bygga högpresterande timingenheter.

Forskarna tror starkt på att detta arbete kommer att vara av brett och stort intresse och kommer att ha en betydande inverkan inom områdena framväxande atomärt tunna material och enheter, nanoelektromekaniska (NEMS) sensorer och ställdon, parametrisk drift av nanoskalaresonatorer och nanomekanik. Forskarna kan också förvänta sig att, när de implementeras med noggrann design och förbättrad teknisk kontroll, kommer sådana små enheter att bli ett kraftfullt tillvägagångssätt och möjligen ett nytt paradigm för att realisera högpresterande avkännings- och andra informationsbehandlingsenheter, i både klassisk och kvantteknik, metrologi , och andra applikationer där parametrisk förstärkning kommer att spela viktiga roller.

Detta arbete är nu formellt accepterat i Applied Physics Reviews . + Utforska vidare

Forskare visar ett mätsystem som kan lösa kvantfluktuationer