Um dispositivo micromecânico gera uma série de frequências de vibração igualmente espaçadas, análogo à luz do "pente de frequência óptica, "que melhorou drasticamente as medições de precisão e pode levar a avanços na detecção de mudanças em escalas de tempo muito longas, como medir mudanças lentas no campo gravitacional da Terra.

A invenção vencedora do Prêmio Nobel do pente de frequência óptica - luz cujo espectro contém uma série de picos igualmente espaçados - revolucionou o design de relógios atômicos e outros dispositivos de alta precisão. Os pesquisadores criaram agora um pente de frequência fonônica, em que o espectro de vibrações de um cristal segue o mesmo padrão do pente óptico. A descoberta confirma uma previsão teórica recente e pode ser útil para medições de precisão que requerem um estável, padrão de baixa frequência, como aquelas que envolvem mudanças lentas.

Os combs de frequência óptica simplificaram e melhoraram drasticamente a medição de tempo de precisão, entre outros campos. Uma maneira de gerar um pente de frequência óptica é por meio de um meio "não linear" no qual os fótons interagem entre si para gerar novos fótons em frequências diferentes daquelas dos fótons iniciais. Esses efeitos podem ser explorados para criar luz cujo espectro contém uma série de muitas frequências igualmente espaçadas.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do e Ashwin Seshia, baseado no Nanoscience Center, não estavam tentando criar um pente de frequência fonônica, o equivalente vibracional do pente óptico. Eles estavam investigando o comportamento dos fônons - as vibrações dos átomos em uma estrutura de cristal - em uma placa retangular de silício, 1100 por 350 por 10 micrômetros, coberto por uma fina camada de nitreto de alumínio, um material que vibra em resposta a uma voltagem aplicada. O wafer foi preso a uma estrutura de suporte em dois pontos, permitindo que vibre em resposta a uma tensão aplicada oscilante. A equipe observou as vibrações do wafer refletindo a luz do laser em sua superfície, permitindo-lhes registrar tanto o padrão espacial quanto as frequências dos fônons com alta precisão.

Quando eles aplicaram a voltagem oscilante em certas frequências, os pesquisadores ficaram surpresos com o fato de a resposta do wafer ter a forma de um pente de frequência em locais da superfície com a maior amplitude de movimento. Para uma frequência de estímulo de 3,862 MHz, por exemplo, o espectro de vibração do wafer mostrou vários picos separados por 2,6 kHz.

Procurando uma explicação para esta descoberta surpreendente, os pesquisadores encontraram um argumento teórico de 2014 que descreve, de uma forma esquemática, como gerar um pente de freqüência fonônica. Peter Schmelcher, da Universidade de Hamburgo, Alemanha, e seus colegas estudaram as chamadas cadeias de Fermi-Pasta-Ulam (FPU) - conjuntos de massas conectadas por molas cuja força restauradora depende não apenas do comprimento pelo qual são esticadas, mas também do quadrado e possivelmente do cubo desse comprimento . As vibrações da cadeia representam fônons unidimensionais, e a não linearidade permite que esses fônons interajam e criem novos fônons em frequências diferentes. Schmelcher e seus colegas mostraram que vibrar uma extremidade de uma cadeia FPU em uma frequência de força que é ligeiramente diferente da soma de duas frequências ressonantes gera um pente de frequência.

O professor Seshia diz que embora o modelo FPU não consiga capturar toda a complexidade do comportamento do fônon em um wafer, ele e seus colegas descobriram que isso explicava muito bem a frequência dos pentes que observaram. Como no modelo FPU, era importante que a frequência de forçante não fosse uma soma exata das frequências de fônons do wafer. Quando essa condição foi atendida, um espectro de pente surgiu com o espaçamento previsto pela teoria. A variação da resposta do pente conforme a equipe variava a frequência e a força da vibração forçadora também seguiu o modelo FPU.

A principal dificuldade experimental era que uma frequência de forçante fora da ressonância era ineficiente para excitar fônons no wafer:um pente de frequência surgia apenas quando a potência da oscilação forçante excedia um valor limite. Contudo, O professor Seshia diz que não deve ser difícil melhorar o design do dispositivo para excitar mais facilmente os pentes de frequência.

Schmelcher concorda que os novos experimentos verificam o mecanismo teórico que ele e seus colegas propuseram. Ele também observa que, uma vez que um pente de frequência representa um conjunto adicional de fônons que podem transmitir energia vibracional no wafer, pode abrir novos caminhos para um dispositivo absorver energia vibracional e, assim, melhorar sua eficiência.

O professor Seshia vê possíveis aplicações em sistemas micro e nanoeletromecânicos, onde o intervalo de frequência de um pente forneceria uma frequência padrão precisa e estável muito mais baixa do que a frequência dos próprios fônons. Isso pode ser especialmente valioso, ele adiciona, para detectar mudanças em escalas de tempo muito longas, como gravímetros que medem mudanças lentas no campo gravitacional da Terra.

Esta pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física .