Een touwtje aanspannen, b.v. bij het stemmen van een gitaar, trilt deze sneller. Maar als snaren nano-afmetingen hebben, vermindert of 'verdunt' een verhoogde spanning ook het verlies van de vibratiemodi van de snaar.

Dit effect, bekend als 'dissipatieverdunning', is gebruikt om mechanische apparaten te ontwikkelen voor kwantumtechnologieën, waarbij geconstrueerde, gespannen nanostrings met een dikte van slechts enkele tientallen atoomlagen meer dan tien miljard keer oscilleren nadat ze slechts één keer zijn geplukt. Het equivalent op een gitaar zou een akkoord zijn dat je ongeveer een jaar na het tokkelen hoort.

Onderzoekers van EPFL, onder leiding van professor Tobias J. Kippenberg, hebben nu een eenvoudige observatie gemaakt over kristaloscillatoren, die alomtegenwoordig worden gebruikt in elektronische apparaten en waarvan bekend is dat ze een extreem klein mechanisch energieverlies hebben bij lage temperatuur. De onderzoekers bewezen dat, als een kristallijn materiaal met een dikte op nanoschaal onder hoge spanning wordt uitgerekt en zijn atomaire orde behoudt, het een goede kandidaat zou zijn voor het maken van snaren met langlevende akoestische trillingen. De studie is gepubliceerd in Nature Physics .

"We hebben gekozen voor gespannen siliciumfilms omdat het een gevestigde technologie is in de elektronica-industrie, waar ze worden gebruikt om de prestaties van transistors te verbeteren", zegt dr. Nils Engelsen, een van de auteurs van het artikel. "Gespannen siliciumfilms zijn daarom in de handel verkrijgbaar in extreem kleine diktes van ongeveer 10 nanometer."

Een grote uitdaging is dat de nanostrings extreme aspectverhoudingen moeten hebben. In dit artikel zijn de nanomechanische apparaten 12 nanometer dik en tot 6 millimeter lang. Als zo'n nanostring rechtop zou worden gebouwd, met een funderingsdiameter gelijk aan die van de Burj Khalifa-toren, zou zijn punt de Medium Earth Orbit, waar GPS-satellieten om de aarde cirkelen, overtreffen.

"Deze structuren worden kwetsbaar en vatbaar voor kleine verstoringen tijdens de laatste stappen van hun microfabricage", zegt Alberto Beccari, een Ph.D. student in het laboratorium van Kippenberg en de eerste auteur van het artikel. "We moesten ons fabricageprotocol volledig vernieuwen om ze te kunnen opschorten zonder catastrofale ineenstorting."

De gespannen silicium nanostrings zijn met name interessant voor kwantummechanische experimenten, waar hun lage dissipatiesnelheid een uitstekende isolatie biedt tegen omgevingsstoringen, waardoor kwantumtoestanden van hoge zuiverheid kunnen worden gecreëerd.

"Een langdurige zoektocht in de fundamentele fysica is het bestuderen en uitbreiden van de grootte en massaschalen van objecten die kwantummechanisch gedrag vertonen, voordat de steeds toenemende willekeurige 'kicks' en fluctuaties van de hete, lawaaierige omgeving hen dwingen zich te gedragen volgens aan de wetten van de mechanica van Newton", zegt Beccari. "Kwantummechanische effecten zijn al waargenomen met mechanische resonatoren van dezelfde grootte en massa, bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt.

"Bovendien zouden deze nanostrings kunnen worden gebruikt als precisiekrachtsensoren, die onderhevig zijn aan allerlei soorten interacties, bijvoorbeeld aan de minuscule stralingsdruk van lichtstralen, aan zwakke interacties met donkere materiedeeltjes en aan magnetische velden geproduceerd door subatomaire deeltjes. " + Verder verkennen

Eén string om ze allemaal te regeren