Esta micrografia eletrônica de varredura mostra um ressonador microeletromecânico. O ressonador consiste em três feixes de silício de cristal único presos em ambas as extremidades. O centro dos feixes é conectado a dois comb drives para atuação e transdução de movimento. A vibração fundamental do feixe está no plano dos motores do pente. Contudo, em frequências mais altas, o ressonador pode se mover com um movimento de torção em torno dos feixes centrais. Quando esses dois movimentos vibracionais interagem, um movimento periódico pode ser induzido cujo espectro consiste em uma infinidade de frequências com espaçamento igual, compreendendo um pente de frequência. Esta imagem foi obtida usando um microscópio eletrônico de varredura FEI Nova 600 Nanolab no Center for Nanoscale Materials. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
Uma coisa é os humanos perderem a noção do tempo, mas o que acontece quando nossos relógios funcionam Em um mundo cada vez mais conectado, os dispositivos precisam ser mais pontuais do que nunca. Para mantê-los funcionando como esperamos, eles dependem de um exército de minúsculos, componentes vibratórios.
Uma descoberta de uma equipe liderada por cientistas do Center for Nanoscale Materials (CNM), uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne, poderia, em última análise, ajudar a melhorar esses componentes em uma variedade de eletrônicos e até mesmo criar dispositivos que imitam processos biológicos. Os pesquisadores foram os pioneiros em um dispositivo micromecânico que responde a sinais externos de uma maneira totalmente nova em comparação com os convencionais. Trabalho deles, conduzido por uma equipe de cinco instituições, incluindo Argonne, foi publicado recentemente na revista Cartas de revisão física .
"A novidade aqui é se você excitar este dispositivo ressonador da maneira certa, a estrutura vibra com um espectro que consiste em múltiplas frequências espaçadas uniformemente, apesar de ser impulsionado por uma única frequência, "disse Daniel Lopez, líder do grupo Center for Nanoscale Materials 'Nanofabrication and Devices.
Um ressonador típico em um dispositivo eletrônico responde a um sinal com uma frequência correspondente. Em relógios de pulso, por exemplo, um ressonador de quartzo vibra em uma frequência específica quando uma certa voltagem é aplicada, e essa vibração marca o tempo. Mas uma rede multitarefa de dispositivos pode exigir respostas em mais de uma frequência, e é aí que as coisas ficam complicadas.
"Para cada dispositivo funcionando em uma frequência específica, você precisa de uma fonte de tempo, "disse o nanocientista da CNM Dave Czaplewski, o autor principal do artigo. "Ter vários dispositivos funcionando em várias frequências torna o sistema muito mais complexo."
Embora uma abordagem comum para este problema envolva vários ressonadores, vários sinais ou ambos, os pesquisadores criaram um único, ressonador microsize que pode gerar múltiplas frequências a partir de um sinal. Este conjunto de frequências é chamado de pente de frequência, assim chamado devido à forma como as frequências aparecem uniformemente espaçadas, como dentes, quando plotado em um gráfico.
"A novidade aqui é se você excitar este dispositivo ressonador da maneira certa, a estrutura vibra com um espectro que consiste em múltiplas frequências espaçadas uniformemente, apesar de ser impulsionado por uma única frequência, "disse Daniel Lopez, líder do grupo de Nanofabricação e Dispositivos da CNM e co-autor do artigo. "Em vez de fabricar um oscilador específico para cada dispositivo, você poderia fabricar um único oscilador que pode produzir um sinal em todas as diferentes frequências necessárias. "
A pesquisa foi realizada parcialmente no CNM, onde os pesquisadores projetaram o ressonador e usaram técnicas de caracterização elétrica para medir suas respostas. O dispositivo de silício, que não é maior do que alguns grãos de sal colocados de ponta a ponta, ancora três feixes que se movem juntos em duas vibrações:um movimento de oscilação lateral e um movimento de torção. Os pesquisadores usaram essa dualidade para gerar o pente de frequência.
"Usamos a interação entre essas duas vibrações para obter esta resposta de frequência que acaba parecendo um pente de frequência, "Czaplewski disse.
Os pentes de frequência são mais comumente usados no campo da óptica, onde consistem em pulsos de luz laser e podem ser usados para medir o tempo com precisão. Em outro aplicativo, este pente de frequência mecânica, os pesquisadores disseram, pode ser usado para estudar um tipo específico de dinâmica conhecida como bifurcação SNIC (nó de sela em um círculo invariante) em mecânica, sistemas ópticos e biológicos. Em um ambiente biológico, por exemplo, compreender esse comportamento pode ajudar no projeto de elementos micromecânicos que emulam a maneira como os neurônios respondem aos estímulos. A matemática que descreve as vibrações neste ressonador foi realizada em colaboração com uma equipe de especialistas no campo da dinâmica não linear em várias universidades.
A próxima etapa da pesquisa, Lopez disse, será reproduzir o fenômeno do pente de frequência em ressonadores de frequência mais alta e estender o número de "dentes" - ou frequências - que podem ser gerados.
