A dissipação de energia é um ingrediente chave na compreensão de muitos fenômenos físicos na termodinâmica, fotônica, reações químicas, ficão nuclear, emissões de fótons, ou mesmo circuitos eletrônicos, entre outros.

Em um sistema vibratório, a dissipação de energia é quantificada pelo fator de qualidade. Se o fator de qualidade do ressonador for alto, a energia mecânica se dissipará a uma taxa muito baixa, e, portanto, o ressonador será extremamente preciso na medição ou detecção de objetos, permitindo que esses sistemas se tornem sensores de massa e força muito sensíveis, bem como sistemas quânticos emocionantes.

Leva, por exemplo, uma corda de violão e fazê-la vibrar. A vibração criada na corda ressoa no corpo do violão. Como as vibrações do corpo estão fortemente acopladas ao ar circundante, a energia da vibração da corda se dissipará de forma mais eficiente no banho ambiente, aumentando o volume do som. A decadência é bem conhecida por ser linear, pois não depende da amplitude vibracional.

Agora, pegue a corda da guitarra e diminua-a para dimensões nanométricas para obter um ressonador nanomecânico. Nestes nanossistemas, foi observado que a dissipação de energia depende da amplitude da vibração, descrito como um fenômeno não linear, e até agora nenhuma teoria proposta foi comprovada para descrever corretamente esse processo de dissipação.

Em um estudo recente, publicado em Nature Nanotechnology , Os pesquisadores do ICFO, Johannes Güttinger, Adrien Noury, Peter Weber, Lagoa Camille, Joel Moser, liderado pelo Prof. no ICFO Adrian Bachtold, em colaboração com pesquisadores da Chalmers University of Technology e ETH Zurich, encontraram uma explicação do processo de dissipação não linear usando um ressonador nano-mecânico baseado em grafeno multicamadas.

Em seu trabalho, a equipe de pesquisadores usou um ressonador nano-mecânico à base de grafeno, bem adequado para observar efeitos não lineares em processos de decaimento de energia, e medi-lo com uma cavidade de micro-ondas supercondutor. Tal sistema é capaz de detectar as vibrações mecânicas em um período de tempo muito curto, além de ser sensível o suficiente para detectar deslocamentos mínimos e em uma faixa muito ampla de amplitudes vibracionais.

A equipe pegou o sistema, forçou o desequilíbrio usando uma força motriz, e subsequentemente desligou a força para medir a amplitude vibracional à medida que a energia do sistema decaía. Eles realizaram mais de 1000 medições para cada traço de decaimento de energia e foram capazes de observar que, à medida que a energia de um modo vibracional decai, a taxa de degradação atinge um ponto em que muda abruptamente para um valor inferior. O maior declínio de energia em vibrações de alta amplitude pode ser explicado por um modelo onde o modo de vibração medido "hibridiza" com outro modo do sistema e eles decaem em uníssono. Isso é equivalente ao acoplamento da corda da guitarra ao corpo, embora o acoplamento seja não linear no caso do nano-ressonador de grafeno. Conforme a amplitude vibracional diminui, a taxa muda repentinamente e os modos ficam desacoplados, resultando em taxas de decaimento comparativamente baixas, portanto, em fatores de qualidade muito gigantescos, excedendo 1 milhão. Esta mudança abrupta na decadência nunca foi prevista ou medida até agora.

Portanto, os resultados alcançados neste estudo mostraram que efeitos não lineares em ressonadores nano-mecânicos de grafeno revelam um efeito de hibridização em altas energias que, se controlado, poderia abrir novas possibilidades para manipular estados vibracionais, projetar estados híbridos com modos mecânicos em frequências completamente diferentes, e estudar o movimento coletivo de sistemas altamente sintonizáveis.