Você não pode ouvir a maioria deles, mas o mundo está funcionando em diferentes tipos de oscilações mecânicas. Por exemplo, dentro de um relógio de pulso eletrônico comum, há uma caixa lacrada contendo um ressonador de cristal de quartzo com 3 mm de comprimento. Em resposta ao feedback elétrico, o cristal vibra continuamente cerca de 33, 000 vezes por segundo. A notável estabilidade dessa frequência de ressonância, que fornece a taxa de "tique" do relógio, mantém você na hora certa.

"Mas, com a pressa de hoje em diminuir o tamanho, dispositivos mais leves, o espaço na placa de circuito impresso é muito valioso, e os cristais de quartzo são grandes, caro, e frágil, "diz Jason Gorman do Laboratório de Medição Física do NIST." Então, nos últimos 10 anos, houve um impulso para fazer relógios em microescala, com foco em ressonadores de silício. O objetivo é desenvolver relógios em microescala que superem os relógios de quartzo em desempenho, ao mesmo tempo que têm 1/100 do tamanho e usam uma fração da potência. "

Em busca desse objetivo, Gorman e seu colega Vikrant Gokhale - usando estruturas customizadas não maiores que um quinto da largura de um cabelo humano - desenvolveram e testaram um novo método que melhora substancialmente o desempenho do ressonador de silício, e também pode beneficiar muitos tipos diferentes de sensores. Os cientistas publicaram seus resultados recentemente em Cartas de Física Aplicada .

Os relógios exigem algum mecanismo que oscila (tique-taque) quase exatamente na mesma taxa e intensidade ao longo do tempo, seja um pêndulo oscilante ou átomos absorvendo e liberando fótons. A capacidade de um ressonador de fazer isso precisamente está diretamente relacionada ao seu fator de qualidade (Q). Um ressonador de alto Q é aquele que permanece próximo a uma única frequência e libera muito pouca energia para o ambiente; seu sinal permanece forte e estável ao longo do tempo.

Em dispositivos em microescala - fabricados em dimensões medidas em micrômetros - um fator chave para o Q alcançável é a quantidade de energia vibracional absorvida pelos minúsculos contrafortes ou "amarras" que suspendem o ressonador do substrato de suporte. As amarras são projetadas para refletir o máximo possível da energia vibracional de volta para o ressonador, minimizando a dissipação. A configuração padrão de uma corda é apenas um feixe reto de silício sólido.

Recentemente, outros pesquisadores empregaram amarras com estrutura mais complexa com base na geometria repetida. Dependendo da otimização desta geometria, essas amarras podem permitir que apenas certas frequências de vibrações quantizadas chamadas fônons passem enquanto refletem outras de volta. (Isso é chamado de bandgap acústico.) Assim, uma corrente de "cristal fonônico" (PnC) ideal refletiria a frequência de ressonância do ressonador, durante a transmissão de outros. "Uma vez que mais energia vibracional está confinada dentro do ressonador devido aos reflexos do cristal fonônico, espera-se que o fator de qualidade melhore em comparação com as amarras de feixe reto, "diz Gokhale.

Os primeiros experimentos com PnCs em diferentes configurações de tether feitos por outros mostraram que o fator de qualidade poderia ser melhorado em até três. Contudo, outros mecanismos de dissipação de energia, como tensão nas interfaces entre vários materiais e dissipação termoelástica em eletrodos de metal, dominou o fator de qualidade nos ressonadores piezoelétricos usados ​​nesses testes.

"Decidimos levar isso mais longe, "Diz Gorman." Sabíamos que, ao desenvolver um ressonador feito de um único material, silício, neste caso, poderíamos nos livrar da maioria dos outros mecanismos de dissipação que limitam o fator de qualidade. "Isso reduziu a dissipação a apenas alguns efeitos inevitáveis ​​e pequenos em comparação com a dissipação de energia normalmente resultante das amarras.

Usando os recursos de nanofabricação do NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, eles fizeram arrays de amarração em linhas contendo um, três, ou cinco células PnC ", "e determinou que números maiores aumentavam a refletância, e, assim, melhorou o Q. Os resultados não só superaram em muito o desempenho das barras de amarração convencionais, mas se aproximou do limite fundamental de dissipação intrínseca para o material, atingindo Q mais alto do que nunca antes registrado para silício em uma frequência de ressonância acima de 100 MHz.

Além de relógios micromecânicos, este trabalho pode ter repercussões em uma série de abordagens de sensores baseadas em ressonadores. "Sensores ressonantes são comumente usados ​​para medições sensíveis de aceleração, rotação, força, e mudanças de massa, e a sensibilidade é proporcional ao Q alcançável, "diz Gorman.

Como um exemplo, sensores químicos ressonantes dependem do fato de que a frequência central de um ressonador depende de sua massa. Se uma molécula de algum tipo - como um poluente - atinge o ressonador e fica preso lá, ele muda a frequência de ressonância. A quantidade de mudança depende da massa da molécula, permitindo que os usuários determinem as espécies químicas. "O Q alto é importante nos sensores porque melhora a sensibilidade às mudanças na frequência de ressonância quando um estímulo é aplicado ao ressonador, "Gokhale diz. Novas tecnologias de sensores baseadas no ressonador com cordas de cristal fonônico estão agora sendo buscadas.