Onderzoekers van de TU Delft en Brown University hebben snaarachtige resonatoren ontworpen die langer kunnen trillen bij omgevingstemperatuur dan elk eerder bekend vastestofobject - en benaderen daarmee wat momenteel alleen haalbaar is bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Hun studie, gepubliceerd in Nature Communications , verlegt de grenzen van nanotechnologie en machinaal leren om enkele van ’s werelds meest gevoelige mechanische sensoren te maken.
De nieuw ontwikkelde nanostrings hebben de hoogste mechanische kwaliteitsfactoren die ooit zijn gemeten voor een klemmend object bij kamertemperatuur, in dit geval geklemd op een microchip. Dit maakt de technologie interessant voor integratie met bestaande microchipplatforms. Mechanische kwaliteitsfactoren geven aan hoe goed energie uit een trillend voorwerp rinkelt. Deze snaren zijn speciaal ontworpen om trillingen binnen te houden en hun energie niet naar buiten te laten lekken.
Een schommel voor 100 jaar op een microchip
"Stel je een schommel voor die, eenmaal ingedrukt, bijna 100 jaar blijft schommelen omdat hij bijna geen energie verliest door de touwen," zegt universitair hoofddocent Richard Norte. "Onze nanostrengen doen iets soortgelijks, maar in plaats van één keer per seconde te trillen zoals een schommel, trillen onze snaren 100.000 keer per seconde. Omdat het moeilijk is om energie weg te laten lekken, betekent dit ook dat omgevingsgeluid moeilijk binnen kan komen, waardoor dit een van de beste sensoren is voor omgevingen met kamertemperatuur.
Deze innovatie is cruciaal voor het bestuderen van macroscopische kwantumverschijnselen bij kamertemperatuur - omgevingen waar zulke verschijnselen voorheen werden gemaskeerd door ruis. Terwijl de vreemde wetten van de kwantummechanica gewoonlijk alleen zichtbaar zijn in enkele atomen, kunnen nanostrings zich isoleren van onze alledaagse, op warmte gebaseerde trillingsruis, waardoor ze een venster kunnen openen op hun eigen kwantumsignatuur; koorden gemaakt van miljarden atomen. In alledaagse omgevingen zou dit soort vermogen interessante toepassingen hebben voor kwantumgebaseerde detectie.
Buitengewone overeenkomst tussen simulatie en experiment
"Ons fabricageproces gaat een andere kant op dan wat tegenwoordig mogelijk is in de nanotechnologie", aldus Dr. Andrea Cupertino, die de leiding had over de experimentele inspanningen. De snaren zijn 3 centimeter lang en 70 nanometer dik, maar opgeschaald zou dit gelijk staan aan het maken van gitaarsnaren van glas die een halve kilometer zweven zonder bijna door te zakken. -Dit soort extreme structuren zijn alleen haalbaar op nanoschaal, waar de effecten van zwaartekracht en gewicht een andere rol spelen. Dit maakt structuren mogelijk die op onze alledaagse schaal onhaalbaar zouden zijn, maar die bijzonder nuttig zijn in miniatuurapparaten die worden gebruikt om fysische grootheden zoals druk, temperatuur, versnelling en magnetische velden te meten, wat we MEMS-detectie noemen,- legt Cupertino uit.
De nanostructuren worden gemaakt met behulp van geavanceerde nanotechnologische technieken die zijn ontwikkeld aan de TU Delft en verleggen de grenzen van hoe dunne en lange hangende nanostructuren kunnen worden gemaakt. Een belangrijk punt van de samenwerking is dat deze nanostructuren zo perfect op een microchip gemaakt kunnen worden, dat er een buitengewone overeenkomst is tussen simulaties en experimenten - wat betekent dat simulaties kunnen fungeren als de gegevens voor algoritmen voor machinaal leren, in plaats van dure experimenten. "Dongil Shin, die deze algoritmen samen met Miguel Bessa ontwikkelde. Om de efficiëntie van het ontwerpen van deze grote gedetailleerde structuren verder te verbeteren, maakten de machine-learning algoritmen slim gebruik van inzichten uit eenvoudigere, kortere string-experimenten om de ontwerpen van langere strings te verfijnen, waardoor het ontwikkelingsproces zowel economisch als effectief was.
Volgens Norte is het succes van dit project een bewijs van de vruchtbare samenwerking tussen experts in nanotechnologie en machinaal leren, en onderstreept het de interdisciplinaire aard van baanbrekend wetenschappelijk onderzoek.
Traagheidsnavigatie en de volgende generatie microfoons
De implicaties van deze nanostrings gaan verder dan fundamentele wetenschap. Ze bieden veelbelovende nieuwe paden voor de integratie van zeer gevoelige sensoren met standaard microchiptechnologie, wat leidt tot nieuwe benaderingen in op trillingen gebaseerde detectie. Hoewel deze eerste onderzoeken zich richten op snaren, kunnen de concepten worden uitgebreid naar complexere ontwerpen om andere belangrijke parameters te meten, zoals versnelling voor traagheidsnavigatie of iets dat meer lijkt op een vibrerend trommelvel voor de volgende generatie microfoons. Dit onderzoek toont het enorme scala aan mogelijkheden bij het combineren van nanotechnologische vooruitgang met machinaal leren om nieuwe technologische grenzen te openen.
