Onderzoekers van de TU Delft en de Brown University hebben snaarachtige resonatoren ontwikkeld die bij omgevingstemperatuur langer kunnen trillen dan enig eerder bekend vastestofobject – wat momenteel alleen haalbaar is bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Hun onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications , verlegt de grenzen van nanotechnologie en machinaal leren om enkele van 's werelds meest gevoelige mechanische sensoren te maken.

De nieuw ontwikkelde nanostrings beschikken over de hoogste mechanische kwaliteitsfactoren die ooit zijn geregistreerd voor elk klemobject in omgevingen met kamertemperatuur; in hun geval vastgeklemd op een microchip. Dit maakt de technologie interessant voor integratie met bestaande microchipplatforms.

Mechanische kwaliteitsfactoren geven aan hoe goed energie uit een trillend object klinkt. Deze snaren zijn speciaal ontworpen om trillingen op te vangen en hun energie niet te laten weglekken.

Een 100-jarige swing op een microchip

"Stel je een schommel voor die, eenmaal geduwd, bijna 100 jaar blijft slingeren omdat hij bijna geen energie verliest via de touwen", zegt universitair hoofddocent Richard Norte.

Hij voegt eraan toe:“Onze nanosnaren doen iets soortgelijks, maar in plaats van één keer per seconde te trillen als een schommel, trillen onze snaren 100.000 keer per seconde. Omdat energie moeilijk naar buiten kan lekken, betekent dit ook dat omgevingsgeluid moeilijk binnendringt, waardoor deze enkele van de beste sensoren voor omgevingen met kamertemperatuur.

“Deze innovatie is van cruciaal belang voor het bestuderen van macroscopische kwantumfenomenen bij kamertemperatuur – omgevingen waar dergelijke fenomenen voorheen werden gemaskeerd door ruis. Hoewel de vreemde wetten van de kwantummechanica meestal alleen in afzonderlijke atomen worden waargenomen, is het vermogen van de nanostrings om zichzelf te isoleren van onze dagelijkse hitte -gebaseerde trillingsruis stelt hen in staat een venster te openen naar hun eigen kwantumsignaturen gemaakt van miljarden atomen. In alledaagse omgevingen zou dit soort mogelijkheden interessante toepassingen kunnen hebben voor op kwantum gebaseerde waarnemingen

Buitengewone match tussen simulatie en experiment

"Ons productieproces gaat in een andere richting als het gaat om wat vandaag de dag mogelijk is in de nanotechnologie", zegt dr. Andrea Cupertino, die leiding gaf aan de experimentele inspanningen. De snaren zijn 3 centimeter lang en 70 nanometer dik, maar opgeschaald zou dit het equivalent zijn van het vervaardigen van glazen gitaarsnaren die een halve kilometer hangen en bijna geen doorbuiging vertonen.

"Dit soort extreme structuren zijn alleen haalbaar op nanoschalen waar de effecten van zwaartekracht en gewicht anders optreden. Dit maakt structuren mogelijk die op onze alledaagse schaal onhaalbaar zouden zijn, maar zijn vooral nuttig in miniatuurapparaten die worden gebruikt om fysieke grootheden zoals druk en temperatuur te meten , versnelling en magnetische velden, die we MEMS-detectie noemen", legt Cupertino uit.

De nanostrings worden gemaakt met behulp van geavanceerde nanotechnologietechnieken die zijn ontwikkeld aan de TU Delft, waardoor de grenzen worden verlegd van hoe dunne en lang zwevende nanostructuren kunnen worden gemaakt. Een sleutel tot de samenwerking is dat deze nanostructuren zo perfect op een microchip kunnen worden gemaakt, dat er een buitengewone match is tussen simulaties en experimenten. Dit betekent dat simulaties kunnen dienen als data voor machine learning-algoritmen, in plaats van dure experimenten.

"Onze aanpak omvatte het gebruik van machine learning-algoritmen om het ontwerp te optimaliseren zonder voortdurend prototypes te fabriceren", aldus hoofdauteur Dr. Dongil Shin, die deze algoritmen samen met Miguel Bessa ontwikkelde.

Om de efficiëntie van het ontwerpen van deze grote, gedetailleerde structuren verder te verbeteren, hebben de machine learning-algoritmen slim gebruik gemaakt van inzichten uit eenvoudigere, kortere string-experimenten om de ontwerpen van langere strings te verfijnen, waardoor het ontwikkelingsproces zowel economisch als effectief werd.

Volgens Norte is het succes van dit project een bewijs van de vruchtbare samenwerking tussen experts op het gebied van nanotechnologie en machinaal leren, wat het interdisciplinaire karakter van baanbrekend wetenschappelijk onderzoek onderstreept.

Traagheidsnavigatie en microfoons van de volgende generatie

De implicaties van deze nanostrings reiken verder dan de fundamentele wetenschap. Ze bieden veelbelovende nieuwe wegen voor de integratie van zeer gevoelige sensoren met standaard microchiptechnologie, wat leidt tot nieuwe benaderingen op het gebied van op trillingen gebaseerde detectie.

Hoewel deze eerste onderzoeken zich richten op snaren, kunnen de concepten worden uitgebreid naar complexere ontwerpen om andere belangrijke parameters te meten, zoals versnelling voor traagheidsnavigatie of iets dat meer lijkt op een trillend drumvel voor microfoons van de volgende generatie. Dit onderzoek demonstreert het enorme scala aan mogelijkheden wanneer de vooruitgang op het gebied van nanotechnologie wordt gecombineerd met machinaal leren om nieuwe grenzen in de technologie te openen.

Meer informatie: Andrea Cupertino et al, nanomechanische resonatoren op centimeterschaal met lage dissipatie, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48183-7

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Technische Universiteit Delft