Onderzoekers verduidelijken het microscopisch dempingsmechanisme in grafeen
Farbod Alijani, universitair hoofddocent, en promovendus Ata Keskekler leveren ondersteunend bewijs voor het bestaan van een niet-lineair dissipatiemechanisme in mechanische systemen. Door dit mechanisme wordt het energieverlies in mechanische trillingen groter naarmate de amplitude van de trilling toeneemt. Dissipatie is het verlies van ‘nuttige’ energie bij thermodynamische processen, zoals wrijving. Om het niet-lineaire mechanisme te bewijzen gebruikten de onderzoekers nanodrums van grafeen met een dikte van slechts een paar nanometer. Nature Communications publiceerde deze week de resultaten.
Aangezien er tot nog toe weinig mogelijkheden waren de dempingskracht in nanosystemen te beïnvloeden, plaveit dit onderzoek de weg naar opwindende mogelijkheden om de oorsprong van dissipatie op nanoschaal beter te begrijpen, en om ultragevoelige regelbare sensoren te realiseren. Voor dit onderzoek, met financiering van de European Research Council (ERC), werkten de onderzoekers samen met collega’s van de Ben Gurion University en het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft.
Energieverlies
Mechanische bronnen van dissipatie spelen een essentiële rol in de moderne natuurkunde, met toepassingen in onder meer de nanomechanica, biomechanica, materiaalwetenschappen en quantum computeren. In klokken of andere trillende mechanismes is energieverlies meestal evenredig met de snelheid van het trillende object. Maar onder speciale omstandigheden, waarbij de ene resonantiefrequentie van de resonator precies twee keer zo groot is als een andere resonantiefrequentie, worden deze verliezen plotseling veel groter, doordat extra energie verloren gaat via de koppeling tussen deze trillingsmodi. Met behulp van licht stelden Alijani en Keskekler de wisselwerking tussen de vibratietoestanden van een grafeen-nanodrum zo in dat één modus precies twee keer zo snel trilt als een andere. Daarmee lieten ze ook zien dat het met dit mechanisme mogelijk is de dempingskracht te kunnen regelen via de koppelingssterkte tussen de twee trillingsmodi.
Ata Keskekler: “Normally, the rate at which the sound of a guitar string decays is independent of how hard you pluck it. However if we make an analogy between a Nano resonator and a guitar, in this work we find a mechanism which indicates that if you tune another string close to a note that is the first octave of the string that is played, the rate of decay becomes dependent on how hard you pluck it. The closer to the octave, the stronger is this dependency."
F. (Farbod) Alijani
