De meeste hoor je niet, maar de wereld draait op verschillende soorten mechanische trillingen. Bijvoorbeeld, in het gemiddelde elektronische polshorloge bevindt zich een verzegelde bus met een 3 mm lange kwartskristalresonator. Als reactie op elektrische feedback, het kristal trilt continu ongeveer 33, 000 keer per seconde. De opmerkelijke stabiliteit van die resonantiefrequentie, die de "tick"-snelheid van de klok geeft, houdt je op tijd.

"Maar in de haast van vandaag om kleiner te maken, lichtere apparaten, ruimte op de printplaat is zeer waardevol, en kwartskristallen zijn groot, duur, en breekbaar, " zegt Jason Gorman van NIST's Physical Measurement Laboratory. "Dus, in de afgelopen 10 jaar is er een druk geweest om microschaalklokken te maken, met een focus op siliciumresonatoren. Het doel is om microschaalklokken te ontwikkelen die kwartsklokken in prestaties overtreffen, terwijl ze ook 1/100e van de grootte zijn en een fractie van het vermogen gebruiken."

Bij het nastreven van dat doel, Gorman en collega Vikrant Gokhale hebben - met behulp van op maat gemaakte structuren die niet groter zijn dan een vijfde van de breedte van een mensenhaar - een nieuwe methode bedacht en getest die de prestaties van de siliciumresonator aanzienlijk verbetert, en kunnen ook veel verschillende soorten sensoren ten goede komen. De wetenschappers publiceerden hun resultaten onlangs in Technische Natuurkunde Brieven .

Klokken vereisen een mechanisme dat oscilleert (tikt) met bijna exact dezelfde snelheid en sterkte in de tijd, of het nu een slingerende slinger is of atomen die fotonen absorberen en vrijgeven. Het vermogen van een resonator om dit precies te doen is direct gerelateerd aan zijn kwaliteitsfactor (Q). Een resonator met een hoge Q is er een die dicht bij een enkele frequentie blijft en heel weinig energie naar zijn omgeving afgeeft; het signaal blijft in de loop van de tijd sterk en stabiel.

In apparaten op microschaal - vervaardigd met afmetingen gemeten in micrometers - is een sleutelfactor voor de haalbare Q de hoeveelheid trillingsenergie die wordt geabsorbeerd door de kleine steunberen of "tethers" die de resonator ophangen aan het ondersteunende substraat. Tethers zijn ontworpen om zoveel mogelijk van de trillingsenergie terug te reflecteren naar de resonator, het minimaliseren van dissipatie. De standaardconfiguratie voor een ketting is slechts een rechte straal van massief silicium.

Onlangs, andere onderzoekers hebben kettingen gebruikt met een complexere structuur op basis van herhalende geometrie. Afhankelijk van de optimalisatie van deze geometrie, deze koorden kunnen alleen bepaalde frequenties van gekwantiseerde trillingen, fononen genaamd, doorlaten terwijl ze andere terugkaatsen. (Dit wordt een akoestische bandgap genoemd.) een ideale "phononic crystal" (PnC) ketting zou de resonantiefrequentie van de resonator weerspiegelen, terwijl je anderen doorstuurt. "Omdat er meer trillingsenergie in de resonator wordt opgesloten als gevolg van reflecties van het fononische kristal, de kwaliteitsfactor zal naar verwachting verbeteren in vergelijking met rechte liggers, ' zegt Gokhale.

Vroege experimenten met PnC's in verschillende kettingconfiguraties door anderen toonden aan dat de kwaliteitsfactor met maar liefst een factor drie kon worden verbeterd. Echter, andere energiedissipatiemechanismen, zoals spanning op de grensvlakken tussen meerdere materialen en thermo-elastische dissipatie in metalen elektroden, domineerde de kwaliteitsfactor in de piëzo-elektrische resonatoren die in deze tests werden gebruikt.

"We hebben besloten om dat verder te doen, Gorman zegt. "We wisten dat door het ontwikkelen van een resonator gemaakt van een enkel materiaal, silicium in dit geval we zouden de meeste andere dissipatiemechanismen kunnen verwijderen die de kwaliteitsfactor beperken." Hierdoor werd de dissipatie teruggebracht tot slechts een paar effecten die onvermijdelijk en klein zijn in vergelijking met de energiedissipatie die typisch het gevolg is van kabels.

Met behulp van de nanofabricagemogelijkheden van NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, ze maakten tether-arrays in rijen met één, drie, of vijf PnC "cellen, " en stelde vast dat grotere aantallen de reflectie verhoogden, en dus de Q verbeterden. De resultaten overtroffen niet alleen de prestaties van conventionele bevestigingsstangen, maar naderde de fundamentele grens van intrinsieke dissipatie voor het materiaal, het bereiken van een hogere Q dan ooit tevoren geregistreerd voor silicium bij een resonantiefrequentie boven 100 MHz.

Naast micromechanische klokken, dit werk kan gevolgen hebben voor een aantal sensorbenaderingen op basis van resonatoren. "Resonantiesensoren worden vaak gebruikt voor gevoelige metingen van versnelling, rotatie, kracht, en massale veranderingen, en de gevoeligheid is evenredig met de haalbare Q, ' zegt Gorman.

Als voorbeeld, chemische resonantiesensoren vertrouwen op het feit dat de middenfrequentie van een resonator afhangt van zijn massa. Als een soort molecuul – zoals een verontreinigende stof – de resonator raakt en daar blijft plakken, het verandert de resonantiefrequentie. De hoeveelheid verandering hangt af van de massa van het molecuul, waardoor gebruikers de chemische soort kunnen bepalen. "Hoge Q is van belang in sensoren omdat het de gevoeligheid voor veranderingen in de resonantiefrequentie verbetert wanneer een stimulus op de resonator wordt toegepast, ", zegt Gokhale. Nieuwe sensortechnologieën op basis van de resonator met fononische kristalkabels worden nu nagestreefd.