In een recent artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , Joel Moser en ICFO-collega's van de NanoOptoMechanics-onderzoeksgroep onder leiding van prof. Adrian Bachtold, samen met Marc Dykman (Michigan University), rapporteren over een experiment waarin een mechanische resonator van koolstof nanobuisjes kwaliteitsfactoren tot 5 miljoen vertoont, 30 keer beter dan de beste kwaliteitsfactoren die tot nu toe in nanobuisjes zijn gemeten.

Stel je voor dat de gastheer van een etentje de aandacht van zijn gasten probeert te trekken door een enkele tik van zijn oesterlepel op zijn kristallen glas te geven. Nutsvoorzieningen, stel je voor, tot verbazing van iedereen, dat het kristalglas enkele lange minuten trilt, een helder rinkelend geluid produceren. De gasten zouden zich ongetwijfeld verbazen over deze bijna nooit eindigende kristaltoon. Sommigen willen misschien zelfs de oorsprong van dit fenomeen onderzoeken in plaats van naar de toespraak van de gastheer te luisteren.

Het geheim van zo'n denkbeeldig non-stop vibrerend systeem berust op het feit dat het heel weinig energie dissipeert. De energiedissipatie van een trilsysteem wordt gekwantificeerd met de kwaliteitsfactor. In laboratoria, door de kwaliteitsfactor te kennen, wetenschappers kunnen kwantificeren hoe lang het systeem kan trillen en hoeveel energie daarbij verloren gaat. Hierdoor kunnen ze bepalen hoe nauwkeurig de resonator kan zijn bij het meten of waarnemen van objecten.

Wetenschappers gebruiken mechanische resonatoren om allerlei fysieke verschijnselen te bestuderen. Vandaag de dag, mechanische resonatoren van koolstof nanobuisjes zijn gewild vanwege hun extreem kleine formaat en hun uitstekende vermogen om objecten op nanoschaal te detecteren. Hoewel het zeer goede massa- en krachtsensoren zijn, hun kwaliteitsfactoren waren enigszins bescheiden. Echter, de ontdekking van de ICFO-onderzoekers is een grote vooruitgang op het gebied van nanomechanica en een spannend startpunt voor toekomstige innovatieve technologieën.

Wat is een mechanische resonator?

Een mechanische resonator is een systeem dat op zeer precieze frequenties trilt. Als een gitaarsnaar of een koord, een koolstof nanobuis resonator bestaat uit een kleine, vibrerende brugachtige (snaar)structuur met typische afmetingen van 1m lang en 1nm in diameter. Als de kwaliteitsfactor van de resonator hoog is, de snaar trilt op een zeer precieze frequentie, waardoor deze systemen aantrekkelijke massa- en krachtsensoren kunnen worden, en opwindende kwantumsystemen.

Waarom is deze ontdekking zo belangrijk?

Voor vele jaren, onderzoekers merkten op dat kwaliteitsfactoren afnamen met het volume van de resonator, dat is hoe kleiner de resonator, hoe lager de kwaliteitsfactor, en vanwege deze trend was het ondenkbaar dat nanobuisjes gigantische kwaliteitsfactoren konden vertonen.

De gigantische kwaliteitsfactoren die ICFO-onderzoekers hebben gemeten, zijn niet eerder waargenomen in nanobuisresonatoren, voornamelijk omdat hun trillingstoestanden extreem kwetsbaar zijn en gemakkelijk verstoord kunnen worden wanneer ze worden gemeten. De door het team van wetenschappers gedetecteerde waarden zijn bereikt door het gebruik van een ultraschone nanobuis bij cryostaattemperaturen van 30 mK (-273,12 Celsius - kouder dan de temperatuur van de ruimte!) en door een ultra-lage ruismethode te gebruiken om minuscule trillingen te detecteren snel, terwijl de elektrostatische ruis zoveel mogelijk wordt verminderd.

Joel Moser beweert dat het vinden van deze kwaliteitsfactoren een uitdaging is geweest omdat "nanobuisresonatoren enorm gevoelig zijn voor omringende elektrische ladingen die constant fluctueren. Deze stormachtige omgeving heeft een sterke invloed op ons vermogen om het intrinsieke gedrag van nanobuisresonatoren vast te leggen. Om deze reden is we moesten een zeer groot aantal snapshots maken van het mechanische gedrag van de nanobuis. Slechts een paar van deze snapshots legden de intrinsieke aard van de dynamiek van de nanobuis vast, toen de storm even ophield. Tijdens deze korte rustige momenten, de nanobuis onthulde ons zijn ultrahoge kwaliteitsfactor".

Met de ontdekking van zulke hoogwaardige factoren uit deze studie, ICFO-wetenschappers hebben een heel nieuw domein van mogelijkheden geopend voor detectietoepassingen, en kwantumexperimenten. Bijvoorbeeld, nanobuisresonatoren kunnen worden gebruikt om individuele kernspins te detecteren, wat een belangrijke stap zou zijn in de richting van magnetische resonantie beeldvorming (MRI) met een ruimtelijke resolutie op atomair niveau. Op dit moment, Adrian Bachtold merkt op dat "MRI op atomair niveau fantastisch zou zijn. Maar, voor deze, we zouden eerst verschillende technologische problemen moeten oplossen die extreem uitdagend zijn."