Het is één ding voor mensen om de tijd uit het oog te verliezen, maar wat gebeurt er als onze klokken het doen In een steeds meer genetwerkte wereld, apparaten moeten stipter dan ooit zijn. Om ze te laten draaien zoals we verwachten, ze zijn afhankelijk van een leger van kleine, trillende onderdelen.

Een bevinding van een team onder leiding van wetenschappers van het Center for Nanoscale Materials (CNM), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Argonne National Laboratory, zou uiteindelijk kunnen helpen dergelijke componenten in een reeks elektronica te verbeteren en zelfs apparaten te creëren die biologische processen nabootsen. De onderzoekers hebben een micromechanisch apparaat ontwikkeld dat op een geheel nieuwe manier op externe signalen reageert in vergelijking met conventionele. Hun werk, uitgevoerd door een team van vijf instellingen, waaronder Argonne, werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"De nieuwigheid hier is dat als je dit resonatorapparaat op de juiste manier prikkelt, de structuur trilt met een spectrum dat bestaat uit meerdere frequenties gelijkmatig verdeeld, ondanks het feit dat het wordt aangedreven door een enkele frequentie, " zei Daniël Lopez, groepsleider voor de groep Nanofabrication and Devices van het Center for Nanoscale Materials.

Een typische resonator in een elektronisch apparaat reageert op één signaal met één bijbehorende frequentie. Bij polshorloges, bijvoorbeeld, een kwartsresonator trilt op een bepaalde frequentie wanneer een bepaalde spanning wordt aangelegd, en die trilling markeert de tijd. Maar een multitasking-netwerk van apparaten kan reacties op meer dan één frequentie vereisen, en dat is waar dingen lastig worden.

"Voor elk apparaat dat op een specifieke frequentie draait, je hebt een timingbron nodig, " zei CNM-nanowetenschapper Dave Czaplewski, hoofdauteur van de krant. "Als meerdere apparaten op meerdere frequenties draaien, wordt het systeem veel complexer."

Hoewel een algemene benadering van dit probleem meerdere resonatoren omvat, meerdere signalen of beide, de onderzoekers creëerden een enkele, microsize resonator die meerdere frequenties kan genereren uit één signaal. Deze reeks frequenties wordt een frequentiekam genoemd, zo genoemd naar de manier waarop de frequenties gelijkmatig verdeeld lijken, zoals tanden, wanneer uitgezet in een grafiek.

"De nieuwigheid hier is dat als je dit resonatorapparaat op de juiste manier prikkelt, de structuur trilt met een spectrum dat bestaat uit meerdere frequenties gelijkmatig verdeeld, ondanks het feit dat het wordt aangedreven door een enkele frequentie, " zei Daniël Lopez, groepsleider voor CNM's Nanofabrication and Devices-groep en een co-auteur van het artikel. "In plaats van voor elk apparaat een specifieke oscillator te fabriceren, je zou een enkele oscillator kunnen maken die een signaal kan produceren op alle verschillende frequenties die nodig zijn."

Het onderzoek is deels uitgevoerd bij het CNM, waar onderzoekers de resonator ontwierpen en elektrische karakteriseringstechnieken gebruikten om de reacties te meten. Het siliciumapparaat, die niet groter is dan een paar korrels zout die van begin tot eind worden gelegd, verankert drie balken die samen bewegen in twee trillingen:een heen en weer zwaaiende beweging en een draaiende beweging. De onderzoekers gebruikten deze dualiteit om de frequentiekam te genereren.

"We gebruiken het samenspel tussen die twee trillingen om deze frequentierespons te verkrijgen die er uiteindelijk uitziet als een frequentiekam, ' zei Czaplewski.

Frequentiekammen worden vaker gebruikt op het gebied van optica, waar ze bestaan ​​uit laserlichtpulsen en kunnen worden gebruikt om de tijd nauwkeurig te meten. In een andere toepassing deze mechanische frequentiekam, zeiden de onderzoekers, kan worden gebruikt om een ​​specifiek type dynamiek te bestuderen dat bekend staat als een SNIC-bifurcatie (zadelknoop op een invariante cirkel) in mechanische, optische en biologische systemen. In een biologische setting, bijvoorbeeld, het begrijpen van dit gedrag zou kunnen helpen bij het ontwerpen van micromechanische elementen die de manier nabootsen waarop neuronen op stimuli reageren. De wiskunde die de trillingen in deze resonator beschrijft, is uitgevoerd in samenwerking met een team van experts op het gebied van niet-lineaire dynamica aan meerdere universiteiten.

De volgende stap in het onderzoek, Lopez zei, zal zijn om het frequentiekamfenomeen te reproduceren in resonatoren met een hogere frequentie en het aantal "tanden" - of frequenties - dat kan worden gegenereerd, uit te breiden.