Nieuwe microchip koppelt twee Nobelprijswinnende technieken

Nieuws - 22 maart 2023 - Communication TNW

Natuurkundigen van de TU Delft hebben een nieuwe technologie op een microchip gebouwd door voor het eerst twee Nobelprijswinnende technieken te combineren. Deze microchip zou met hoge precisie afstanden in materialen kunnen meten, bijvoorbeeld onder water of voor medische beeldvorming. Omdat de technologie gebruik maakt van geluidstrillingen in plaats van licht, is deze nuttig voor positiemetingen met hoge precisie in ondoorzichtige materialen. Het instrument zou tot nieuwe technieken kunnen leiden om het klimaat van de aarde en de menselijke gezondheid te monitoren. Het werk is nu gepubliceerd in Nature Communications.

Artists' impression van de trampolinevormige sensor. De laserstraal gaat door het midden van het trampolinemembraan veroorzaakt de boventoontrillingen in het materiaal (credits: Sciencebrush)

Eenvoudige en energiezuinige technologie
Het grootste gedeelte van de microchip bestaat uit een dun keramisch vel in de vorm van een trampoline. Deze trampoline is voorzien van gaatjes om de interactie met lasers te versterken en heeft een dikte die ongeveer 1000 keer kleiner is dan de dikte van een haar. Als voormalig promovendus in het lab van Richard Norte bestudeerde Matthijs de Jong de kleine trampolines om uit te zoeken wat er zou gebeuren als ze er een eenvoudige laserstraal op richtten. Het oppervlak van de trampoline begon hevig te trillen. Door het gereflecteerde laserlicht van het trillende oppervlak te meten, zag het team een trillingspatroon in de vorm van een kam dat ze nog niet eerder hadden gezien. Ze realiseerden zich dat de kamvormige trillingen van de trampoline functioneren als een liniaal om nauwkeurig afstanden te meten.

Deze nieuwe technologie zou gebruikt kunnen worden om posities in materialen te meten met behulp van geluidsgolven. Het bijzondere is dat er geen precisieapparatuur voor nodig is en dat de microchip dus gemakkelijk te produceren is. "Er hoeft alleen een laser in, en verder niets. Er zijn geen complexe feedback loops nodig en we hoeven ook geen specifieke parameters af te stellen zodat onze tech goed werkt. Dit maakt het een zeer eenvoudige en energiezuinige technologie, die veel gemakkelijker te verkleinen is op een microchip", aldus Norte. "Zodra dit gebeurt, kunnen we deze microchipsensoren echt overal plaatsen, gezien hun kleine formaat."

Unieke combinatie
De nieuwe technologie is gebaseerd op twee ongerelateerde technieken die de Nobelprijs wonnen, bekend als optical trapping en de frequentiekamlaser (frequency comb). Norte: "Het interessante is dat beide concepten normaal gesproken met licht te maken hebben, al hebben deze gebieden niet echt overlap. Wij hebben ze op een unieke manier gecombineerd en zo een gebruiksvriendelijke microchiptechnologie gebouwd op basis van geluidsgolven. Dit gebruiksgemak kan belangrijke gevolgen hebben voor de manier waarop we de wereld om ons heen meten."

Boventonen
Toen de onderzoekers een laserstraal richtten op de piepkleine trampoline, beseften ze dat de krachten die de laser erop uitoefende trillingen van boventonen veroorzaakten in de trampolinevormige membranen. "Deze krachten noemen we een optical trap, omdat ze deeltjes op één plek kunnen vangen met behulp van licht. Deze techniek won in 2018 de Nobelprijs en stelt ons in staat om zelfs de kleinste deeltjes met extreme precisie te manipuleren", legt Norte uit. "Je kunt de boventonen in de trampoline vergelijken met bepaalde noten van een viool. De noot of frequentie die de viool laat klinken, hangt af van waar je je vinger op de snaar plaatst. Als je de snaar maar heel licht aanraakt en met een strijkstok bespeelt, kun je boventonen creëren; een reeks tonen met hogere frequenties. In ons geval fungeert de laser zowel als zachte aanraking én als strijkstok om boventoontrillingen in het trampolinevormige membraan op te wekken."

Twee baanbrekende vakgebieden overbruggen
"Optical frequency combs worden in laboratoria over de hele wereld gebruikt om heel nauwkeurig tijd en afstand te meten", zegt Norte. "Ze zijn zo belangrijk voor metingen in het algemeen dat de uitvinding ervan in 2005 een Nobelprijs kreeg. Wij hebben een akoestische versie van een frequency comb gebouwd, die is gemaakt van geluidstrillingen in het membraan in plaats van licht. Akoestische frequency combs zouden bijvoorbeeld positiemetingen kunnen doen in ondoorzichtige materialen, waar trillingen beter doorheen kunnen bewegen dan lichtgolven. Deze technologie zou bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn voor precisiemetingen onder water om het klimaat op aarde te monitoren, voor medische beeldvorming en voor toepassingen in quantumtechnologieën."