Forskare från TU Delft och Brown University har konstruerat strängliknande resonatorer som kan vibrera längre vid omgivningstemperatur än något tidigare känt objekt i fast tillstånd - och närmar sig vad som för närvarande bara kan uppnås nära absoluta nolltemperaturer. Deras studie, publicerad i Nature Communications , skjuter på kanten av nanoteknik och maskininlärning för att göra några av världens mest känsliga mekaniska sensorer.
De nyutvecklade nanosträngarna har de högsta mekaniska kvalitetsfaktorerna som någonsin registrerats för något fastspänningsobjekt i rumstemperaturmiljöer; i deras fall fastklämd på ett mikrochip. Detta gör tekniken intressant för integration med befintliga mikrochipplattformar.
Mekaniska kvalitetsfaktorer representerar hur väl energi ringer ut ur ett vibrerande föremål. Dessa strängar är speciellt utformade för att fånga in vibrationer och inte låta deras energi läcka ut.
"Föreställ dig en gunga som, när den väl trycks, fortsätter att svänga i nästan 100 år eftersom den nästan inte förlorar någon energi genom repen", säger docent Richard Norte.
Han tillägger, "Våra nanosträngar gör något liknande, men i stället för att vibrera en gång per sekund som en gunga, vibrerar våra strängar 100 000 gånger per sekund. Eftersom det är svårt för energi att läcka ut, betyder det också att omgivningsljud är svårt att få in, vilket gör dessa några av de bästa sensorerna för rumstemperaturmiljöer.
"Denna innovation är avgörande för att studera makroskopiska kvantfenomen vid rumstemperatur - miljöer där sådana fenomen tidigare maskerades av buller. Medan kvantmekanikens konstiga lagar vanligtvis bara ses i enstaka atomer, är nanosträngarnas förmåga att isolera sig från vår vardagliga värme. -baserat vibrationsljud gör att de kan öppna ett fönster till sina egna kvantsignaturer gjorda av miljarder atomer.
"Vår tillverkningsprocess går i en annan riktning med avseende på vad som är möjligt inom nanoteknik idag", säger Dr Andrea Cupertino, som ledde de experimentella ansträngningarna. Strängarna är 3 centimeter långa och 70 nanometer tjocka, men uppskalat skulle detta motsvara att tillverka gitarrsträngar av glas som är upphängda en halv kilometer nästan utan häng.
"Den här typen av extrema strukturer är bara möjliga på nanoskala där effekterna av gravitation och vikt kommer in på olika sätt. Detta möjliggör strukturer som skulle vara omöjliga på våra vardagliga skalor men som är särskilt användbara i miniatyrenheter som används för att mäta fysiska storheter som tryck, temperatur , acceleration och magnetfält, som vi kallar MEMS-avkänning", förklarar Cupertino.
Nanosträngarna är tillverkade med hjälp av avancerad nanoteknik som utvecklats vid TU Delft, vilket tänjer på gränserna för hur tunna och långa upphängda nanostrukturer kan göras. En nyckel till samarbetet är att dessa nanostrukturer kan göras så perfekt på ett mikrochip att det finns en extraordinär matchning mellan simuleringar och experiment – vilket innebär att simuleringar kan fungera som data för maskininlärningsalgoritmer snarare än kostsamma experiment.
"Vårt tillvägagångssätt involverade att använda maskininlärningsalgoritmer för att optimera designen utan att kontinuerligt tillverka prototyper", konstaterade huvudförfattaren Dr. Dongil Shin, som utvecklade dessa algoritmer tillsammans med Miguel Bessa.
För att ytterligare förbättra effektiviteten i att designa dessa stora detaljerade strukturer använde maskininlärningsalgoritmerna smart insikter från enklare, kortare strängexperiment för att förfina designen av längre strängar, vilket gjorde utvecklingsprocessen både ekonomisk och effektiv.
Enligt Norte är framgången med detta projekt ett bevis på det fruktbara samarbetet mellan experter inom nanoteknik och maskininlärning, vilket understryker den tvärvetenskapliga karaktären hos banbrytande vetenskaplig forskning.
Implikationerna av dessa nanosträngar sträcker sig bortom grundläggande vetenskap. De erbjuder lovande nya vägar för att integrera mycket känsliga sensorer med standardmikrochipteknologi, vilket leder till nya tillvägagångssätt inom vibrationsbaserad avkänning.
Medan dessa initiala studier fokuserar på strängar, kan koncepten utökas till mer komplexa konstruktioner för att mäta andra viktiga parametrar som acceleration för tröghetsnavigering eller något som ser mer ut som ett vibrerande trumskinn för nästa generations mikrofoner. Den här forskningen visar det stora utbudet av möjligheter när man kombinerar nanotekniska framsteg med maskininlärning för att öppna nya gränser inom tekniken.
Mer information: Andrea Cupertino et al, Centimeterskaliga nanomekaniska resonatorer med låg förlust, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48183-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Delft University of Technology
