Osciladores nanomecánicos con pérdidas récord

Osciladores nanomecánicos con pérdidas récord


Los científicos de EPFL han desarrollado osciladores nanomecánicos que pueden oscilar miles de millones de veces antes de detenerse. La simetría de los resonadores mecánicos en forma de polígonos regulares permite que estos registren bajas pérdidas mecánicas.

Los investigadores están desarrollando osciladores nanomecánicos con pérdidas récord que probablemente impulsen aplicaciones potenciales.
Micrografía electrónica de barrido de un resonador poligonal. El recuadro muestra la forma del modo circunferencia. Crédito de la foto: Mohammad J. Bereyhi (EPFL).

Los modos de vibración de los resonadores nanomecánicos corresponden a diferentes tonos en una cuerda de guitarra y comparten propiedades como la frecuencia (tono) y la vida útil. El factor de calidad, es decir, el número de oscilaciones del resonador hasta que su energía se reduce en un 70 %, caracteriza la vida útil.

El factor de calidad es crucial para las aplicaciones modernas de resonadores mecánicos porque determina la calidad del ruido térmico, que es una limitación para la detección de fuerzas débiles y la observación del efecto cuántico.

Los investigadores de la EPFL dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg han demostrado que un polígono regular, suspendido en sus vértices, puede admitir modos de vibración en todo su perímetro con grandes factores de calidad. Esto se debe a la simetría geométrica de los polígonos regulares combinada con las constantes elásticas de las estructuras bajo tensión.

Esta estrategia de ingeniería de pérdida tiene una ventaja significativa sobre los métodos anteriores, ya que permite la realización de buenos factores de 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 de rendimiento similar.

Nils Engelsen, Jefe de Estudios, EPFL

«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. Esta hazaña es mucho más fácil con dispositivos compactos‘, agregó Engelsen.

El diseño simple de los resonadores poligonales permite a los investigadores llevar la investigación un paso más allá y crear una serie de resonadores poligonales conectados. Una cadena de osciladores acoplados puede comportarse de manera muy diferente a un solo resonador. Los investigadores estudiaron la dinámica única de esta cadena, que resulta de la disposición de los resonadores.

La medición precisa de la fuerza es una aplicación clave para los resonadores nanomecánicos. Los investigadores encuentran que al evaluar las variaciones de posición de un resonador poligonal con un interferómetro óptico, estos resonadores pueden cuantificar variaciones de fuerza tan pequeñas como 1 attonewton. Esta sensibilidad es comparable a la de los microscopios de fuerza atómica más modernos.

Esperamos que la sensibilidad de fuerza demostrada de los polígonos, combinada con su compacidad y simplicidad, inspire su uso en microscopios de fuerza reales..

Mohammad Bereyhi, investigador principal, EPFL

«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 hace que los dispositivos de la técnica anterior sean muy difíciles de fabricar. 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.‘, concluyó Bereyhi.

Referencia de la revista:

Bereyhi, MJ, y otros. (2022) Los modos perimetrales de los resonadores nanomecánicos tienen factores de calidad superiores a 109 a temperatura ambiente. Comprobación física X. doi.org/10.1103/PhysRevX.12.021036.

Fuente: https://www.epfl.ch/de/

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