p Pesquisadores do Niels Bohr Institute introduziram um novo tipo de ressonador nanomecânico, em que um padrão de orifícios localiza as vibrações em uma pequena região em uma membrana de 30 nm de espessura. O padrão suprime drasticamente o acoplamento a flutuações aleatórias no ambiente, aumentando a coerência das vibrações. A compreensão quantitativa e os modelos numéricos dos pesquisadores fornecem um projeto versátil para dispositivos nanomecânicos ultracoerentes. Entre outros, isso permite uma nova geração de sensores nanomecânicos para sondar os limites quânticos das medições mecânicas, e microscopia de força mais sensível. Os resultados são publicados na prestigiosa revista científica, Nature Nanotechnology . p Dispositivos micro e nanomecânicos são onipresentes na ciência e tecnologia:eles fazem os relógios funcionar, permitem que smartphones e carros sintam a aceleração, e fornecem o elemento básico do qual dependem os Microscópios de Força Atômica (AFM) e seus sofisticados derivados. Mais recentemente, tais dispositivos também chegaram ao foco da Ciência Quântica. Experimentos com os sensores mecânicos mais avançados agora investigam os limites quânticos fundamentais para medir forças, testando há uma década, novas previsões relevantes da comunidade de detecção de ondas gravitacionais. Dispositivos mecânicos habilitados para quantum também estão posicionados para desempenhar um papel na comunicação quântica e tecnologias de computação, por exemplo, como memória ou elementos de interface.

p Uma característica crucial para dispositivos mecânicos nestas aplicações é a sua coerência:essencialmente quantifica quanto (ou de preferência, pouco) a dinâmica do movimento é perturbada por flutuações aleatórias no ambiente. Para um ressonador mecânico oscilando na frequência f, um fator de alta qualidade Q indica alta coerência (por definição, Q / 2pf é o tempo de armazenamento de energia do ressonador). Ao mesmo tempo, medir forças se beneficia de uma pequena massa móvel m. Então, forças menores têm um impacto mais significativo no movimento do sensor. Infelizmente, Contudo, esses requisitos podem ser conflitantes:pesquisas anteriores mostraram que baixa massa m geralmente acarreta baixo Q e vice-versa.

p Atualize os livros didáticos

p Agora, pesquisadores liderados por Albert Schliesser, Professor do Instituto Niels Bohr, introduziram um novo tipo de ressonador nanomecânico que desafia essa regra heurística. É baseado em uma membrana de nitreto de silício esticada sobre uma estrutura de silício como a pele de um timpano. No entanto, suas dimensões laterais estão apenas na faixa de milímetros, e é tão fino quanto alguns 10 nanômetros (Fig. 1). Sua característica distintiva é um padrão de orifícios gravados na membrana. A periodicidade do padrão dá origem a um intervalo fonônico, isso é, uma faixa de frequência na qual as ondas elásticas não podem se propagar. Isso permite confinar as vibrações - cuja frequência cai nessa faixa - a uma ilha central sem orifícios, que é referido como o defeito (Fig. 2). Dado o tamanho pequeno do defeito, a massa vibrante equivale a apenas alguns nanogramas.

p Crucialmente, o padrão de furo também aumenta o fator Q das vibrações do defeito de duas maneiras complementares, como Albert Schliesser explica:"Por um lado, evita a perda de energia vibracional por ondas elásticas que se propagam - isso era bem conhecido. Por outro lado, a parte furada da membrana ainda pode se mover suavemente, e, assim, fornecer uma transição suave entre o defeito vibratório e a estrutura necessariamente estática do dispositivo. "Tal fixação suave constitui um novo tipo de condição de limite para um elemento mecanicamente compatível, ao contrário de várias formas —'sliding ', 'fixado', 'preso' e 'livre' - conhecido nos livros de engenharia mecânica. E é exatamente essa fixação suave que aumenta maciçamente o fator Q por meio de um efeito chamado diluição de dissipação. os fatores de qualidade alcançados de mais de 200 milhões são sem precedentes para ressonadores em frequências megahertz. Mais notavelmente, esses números são obtidos em temperatura ambiente. A sabedoria convencional sugere que os ressonadores feitos de qualquer um dos materiais amplamente utilizados, como o quartzo, silício, ou diamante, não pode alcançar produtos tão elevados de frequência e fator de qualidade, a menos que sejam resfriados criogenicamente. "Contudo, com o processo de fabricação certo, nossa abordagem pode, em princípio, ser aplicada a ressonadores de qualquer material, e assim aumentar o Q, "diz o estudante de doutorado Yeghishe Tsaturyan, quem fez os dispositivos na instalação de nanofabricação de Danchip.

p Uma nova geração de sensores quânticos

p "Isso torna este estudo particularmente útil, "acrescenta Albert Schliesser, "com nosso modelo e simulações numéricas, agora temos um determinístico, mas uma abordagem versátil para projetar e construir ressonadores extremamente coerentes. Isso costumava ser mais uma arte sombria. Agora você pode pegá-lo e adaptá-lo às suas necessidades. "

p Mas a coerência recorde dos dispositivos criados no presente trabalho já é atraente para uma série de aplicações. Especialmente os experimentos em optomecânica quântica irão se beneficiar enormemente da coerência aprimorada de quase 100 vezes, em comparação com ressonadores de membrana de primeira geração. Espera-se que as forças associadas às flutuações quânticas do vácuo sejam extremamente proeminentes, permitindo estudos detalhados de seus efeitos também em ambientes complexos e, eventualmente, temperatura do quarto. Isso permitirá novas investigações de limites quânticos para medições de força e deslocamento, conceitos altamente relevantes, especialmente para o projeto de detectores de ondas gravitacionais.

p Outra via de interesse é usar as membranas em microscópios de força de ressonância magnética (MRFM). Semelhante a um AFM, esses instrumentos são baseados em uma medição de força, e alcançar resolução espacial extrema na escala nanométrica. Ao contrário do AFM, MRFM imagens propriedades magnéticas da amostra, comparáveis ​​aos scanners de ressonância magnética conhecidos do uso clínico. Em todo o seu potencial, MRFM promete nada menos do que imagens 3D quimicamente seletivas de, por exemplo, um vírus em resolução molecular. Isso permitiria novos insights sobre a estrutura e função dos sistemas biológicos em escala molecular. Os ressonadores furados introduzidos no Instituto Niels Bohr podem ajudar a atingir esse objetivo.