Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Flórida, liderada pelo Dr. Philip Feng, em colaboração com o Prof. Steven Shaw do Instituto de Tecnologia da Flórida, demonstrou agora uma amplificação de sinal mecânico extremamente eficiente em ressonadores mecânicos em nanoescala operando em radiofrequência. Os dispositivos empregados nesta pesquisa podem ser os menores ressonadores mecânicos exibindo amplificação, e o ganho alcançado é o mais alto conhecido para todos os dispositivos mecânicos relatados até o momento.
A amplificação do deslocamento é realizada com base no "bombeamento paramétrico ou amplificação paramétrica" ​​do movimento mecânico. A amplificação paramétrica pode ser alcançada principalmente quando um parâmetro do sistema é modulado por duas vezes múltiplos da frequência. Um exemplo simples de amplificação paramétrica é uma criança brincando de balanço. A criança pode periodicamente ficar de pé e agachar duas vezes em um único período do balanço para aumentar ou "amplificar" a amplitude do balanço sem que ninguém ajude a empurrar.

Os pesquisadores perceberam a amplificação paramétrica nos minúsculos dispositivos em nanoescala. Os amplificadores paramétricos mecânicos de pele de tambor em nanoescala demonstrados nesta pesquisa consistem em um dissulfeto de molibdênio semicondutor bidimensional atomicamente fino (MoS₂ ) membrana onde a espessura das peles é de 0,7, 2,8, 7,7 nanômetros com 1,8 micrômetros de diâmetro e 0,0018–0,020 m ³ em volume. Os nanodrums são fabricados pela transferência de nanofolhas esfoliadas do cristal em massa sobre microcavidades para fazer nanodrums atomicamente finos suspensos.

Os pesquisadores tocam os nanodrums usando um laser de amplitude modulada. Quando o laser "atinge" suavemente os nanodrums, a energia da luz é convertida em calor, e o estresse térmico pode "tocar" ou "bombear" parametricamente o dispositivo se a atuação térmica tiver o dobro da frequência da frequência de ressonância do dispositivo. Esse processo de bombeamento paramétrico faz com que os nanodrums vibrem com maior amplitude, semelhante aos instrumentos de percussão em escala muito maior. Pesquisadores encontram os efeitos fototérmicos no MoS semicondutor₂ nanodrums são altamente eficazes em comparação com outros dispositivos hipotéticos em nanoescala compostos de materiais semicondutores convencionais, como silício, graças às intrigantes propriedades térmicas, ópticas e mecânicas do MoS atomicamente fino₂ nanofolhas.

Os dispositivos de nanoescala exibem ganhos de amplificação paramétricos gigantes de até 3600, o maior ganho paramétrico medido conhecido para todos os ressonadores mecânicos de nano/microescala relatados até o momento. O ganho paramétrico gigante é derivado da natureza fina do dispositivo. Os dispositivos têm espessura comparável ao tamanho do átomo, o que leva ao ganho paramétrico extremamente alto em dispositivos mecânicos minúsculos.

A amplificação paramétrica altamente eficiente pode ser adaptada para detectar movimentos mecânicos ultrapequenos. Em dispositivos mecânicos em nanoescala, tem sido um desafio ter um método de transdução de sinal de deslocamento eficiente. Muitas vezes, ele se conecta a circuitos eletrônicos, mas os sinais de deslocamento são frequentemente sobrepostos ao fundo elétrico muito maior e ao ruído da eletrônica de leitura. Usando amplificação paramétrica, é possível amplificar o sinal diretamente no domínio mecânico antes da transdução elétrica, permitindo aliviar o excesso de ruído do amplificador.

O benefício adicional da amplificação paramétrica é que a amplificação paramétrica compensa a perda de energia intrínseca dos ressonadores, que confina a vibração mecânica dentro de uma largura de banda de frequência muito estreita. Em comparação com a resposta de frequência antes da amplificação paramétrica, a largura de linha ou os fatores de estreitamento da largura de banda de até 180.000 foram demonstrados no ressonador em nanoescala, melhorando muito a capacidade de selecionar a frequência de ressonância. Os pesquisadores explicaram que a largura de linha estreita é fundamental para algumas aplicações, incluindo a construção de um relógio preciso e, portanto, a amplificação paramétrica demonstrada nesta pesquisa ajudaria a construir dispositivos de temporização de alto desempenho.

Os pesquisadores acreditam fortemente que este trabalho será de amplo e grande interesse e terá um impacto significativo nas áreas de materiais e dispositivos atomicamente finos emergentes, sensores e atuadores nanoeletromecânicos (NEMS), operação paramétrica de ressonadores em nanoescala e nanomecânica. Os pesquisadores também podem esperar que, quando implementados com design cuidadoso e controle de engenharia aprimorado, esses dispositivos minúsculos se tornarão uma abordagem poderosa e possivelmente um novo paradigma para realizar sensores de alto desempenho e outros dispositivos de processamento de informações, tanto em engenharia clássica quanto quântica, metrologia , e outras aplicações onde a amplificação paramétrica desempenhará papéis importantes.

Este trabalho agora é formalmente aceito em Revisões de Física Aplicada . + Explorar mais

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