Nuevos osciladores nanomecánicos con pérdidas récord

Nuevos osciladores nanomecánicos con pérdidas récord


12 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los modos de vibración de los resonadores nanomecánicos son análogos a los diferentes tonos de una cuerda de guitarra y tienen propiedades similares, como la frecuencia (tono) y la vida útil. La vida útil se caracteriza por el factor de calidad, que es el número de oscilaciones del resonador hasta que su energía se reduce en un 70%.

El factor de calidad es fundamental para las aplicaciones modernas de resonadores mecánicos porque determina el nivel de ruido térmico, que es un límite para detectar fuerzas débiles y observar efectos cuánticos.

Ahora, los científicos de la EPFL, dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg, muestran que un polígono regular suspendido en sus vértices admite modos de vibración circunferencial con factores de calidad extremadamente altos (Comprobación física X, «Los modos perimetrales de los resonadores nanomecánicos exhiben factores de calidad superiores a 109 a temperatura ambiente»). Esto es consecuencia de la simetría geométrica de los polígonos regulares combinada con las propiedades elásticas de las estructuras bajo tensión. Micrografía electrónica de barrido de un resonador poligonal Micrografía electrónica de barrido de un resonador poligonal. El recuadro muestra la forma del modo circunferencia. (Imagen: Mohammad J Bereyhi, EPFL)

Este enfoque de la ingeniería de pérdidas tiene una ventaja importante sobre las técnicas anteriores: la realización de factores de alta calidad en dispositivos con una huella mucho más pequeña.

«Los nuevos modos perimetrales no solo rompen el récord del factor de calidad más alto, sino que son casi 20 veces más compactos que los dispositivos con un rendimiento similar», dice Nils Engelsen, autor principal del estudio. “La compacidad trae ventajas prácticas reales. En nuestro laboratorio, tratamos de medir y controlar las vibraciones mecánicas a nivel cuántico con luz, lo que requiere la suspensión de resonadores mecánicos a menos de una micra de una estructura que guía la luz. Esto es mucho más fácil con dispositivos compactos”.

El sencillo diseño de los resonadores poligonales permite a los autores ir un paso más allá y crear una cadena de resonadores poligonales conectados. Esta cadena de osciladores acoplados puede comportarse de manera sorprendentemente diferente a un solo resonador. Los autores estudian la dinámica particular de esta cadena, resultante de la forma en que se conectan los resonadores.

La medición de fuerza de precisión es una aplicación importante de los resonadores nanomecánicos. Al medir las fluctuaciones de posición de un resonador poligonal con un interferómetro óptico, los autores muestran que estos resonadores pueden medir fluctuaciones de fuerza tan pequeñas como 1 attonewton. Este nivel de sensibilidad se acerca al de los microscopios de fuerza atómica modernos.

«Esperamos que la sensibilidad a la fuerza demostrada de los polígonos, combinada con su compacidad y simplicidad, inspire su uso en microscopios de fuerza reales», dice Mohammad Bereyhi, quien dirigió el estudio. “Hasta ahora, las mejoras en los factores de calidad mecánica se han producido a expensas de un mayor tamaño y una mayor complejidad del diseño, lo que dificulta mucho la fabricación de dispositivos de última generación. Con los modos perimetrales, es una historia diferente. Creo que la simplicidad de este nuevo diseño amplía enormemente su potencial para aplicaciones nuevas y prometedoras”.



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