Snaren die eeuwig kunnen trillen (soort van)
Onderzoekers van de TU Delft en Brown University hebben snaarachtige resonatoren ontworpen die langer kunnen trillen bij kamertemperatuur dan elk ander tot nu toe bekend object in vaste toestand - ze benaderen wat momenteel alleen haalbaar is bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Hun studie, gepubliceerd in Nature Communications, verlegt de grenzen van nanotechnologie en machine learning om 's werelds meest gevoelige mechanische sensoren te maken.
De nieuw ontwikkelde nanosnaren hebben de hoogste mechanische kwaliteitsfactoren die ooit zijn gemeten voor een vastgeklemd object bij kamertemperatuur. De snaren zitten vastgeklemd op een microchip, wat de technologie interessant maakt voor integratie met bestaande microchipplatforms. Mechanische kwaliteitsfactoren geven aan in hoeverre energie uit een trillend voorwerp vloeit. Deze snaren zijn speciaal ontworpen om trillingen vast te houden en hun energie niet weg te laten lekken.
100 jaar schommelen op een microchip
"Stel je een schommel voor die, eenmaal aangeduwd, bijna 100 jaar blijft zwaaien omdat hij bijna geen energie verliest via de touwen", zegt universitair hoofddocent Richard Norte. "Onze nanosnaren doen iets soortgelijks, maar in plaats van één keer per seconde te trillen zoals een schommel, trillen onze snaren 100.000 keer per seconde. Omdat het moeilijk is voor energie om te ontsnappen, betekent dit ook dat omgevingsgeluid moeilijk binnen kan komen, waardoor dit een van de beste sensoren is voor gebruik in omgevingen met kamertemperatuur."
R.A. (Richard) Norte
Deze innovatie is cruciaal voor het bestuderen van macroscopische kwantumverschijnselen bij kamertemperatuur - omgevingen waar zulke verschijnselen voorheen werden gemaskeerd door ruis. Terwijl de vreemde wetten van de kwantummechanica meestal alleen zichtbaar zijn in enkele atomen, stelt het vermogen van de nanosnaren om zichzelf te isoleren van onze alledaagse trillingsruis hen in staat om een venster te openen naar hun eigen kwantumhandtekening; snaren gemaakt van miljarden atomen. In alledaagse omgevingen zou deze eigenschap interessante toepassingen hebben voor kwantumgebaseerde detectie.
Ons maakproces slaat een andere richting in dan wat er vandaag de dag mogelijk is in de nanotechnologie
Andrea Cupertino
Opmerkelijke overeenkomst tussen simulatie en experiment
"Ons maakproces slaat een andere richting in dan wat er vandaag de dag mogelijk is in de nanotechnologie", vertelt Andrea Cupertino, die de leiding had over de experimentele inspanningen. De snaren zijn 3 centimeter lang en 70 nanometer dik. Opgeschaald zou dit gelijk staan aan het maken van gitaarsnaren van glas met een lengte van een halve kilometer die bijna niet doorhangen. "Dit soort extreme structuren zijn alleen haalbaar op nanoschaal, waar de effecten van zwaartekracht en gewicht een andere rol spelen. Dit maakt structuren mogelijk die onhaalbaar zouden zijn op normale schaal, maar die bijzonder nuttig zijn in miniatuurapparaten die worden gebruikt om een grootheid te meten, zoals druk, temperatuur, versnelling en magnetische velden, wat we MEMS-detectie noemen", legt Cupertino uit.
De nanostructuren worden gemaakt met geavanceerde nanotechnieken die zijn ontwikkeld aan de TU Delft en verleggen de grenzen van hoe dunne en lange ophangbare nanostructuren kunnen worden gemaakt. Een belangrijk punt van deze nanostructuren is dat ze perfect op een microchip gemaakt kunnen worden waardoor er een buitengewone overeenkomst is tussen simulaties en experimenten. Dit betekent dat simulaties fungeren als de gegevens voor algoritmen voor machine learning, in plaats van dure experimenten. "We gebruikten algoritmen voor machine leanring om het ontwerp te optimaliseren zonder voortdurend prototypes te maken", zegt eerste auteur Dongil Shin, die deze algoritmen samen met Miguel Bessa ontwikkelde. Om de efficiëntie van het ontwerpen van deze grote gedetailleerde structuren verder te verbeteren, maakten de machine learning algoritmen slim gebruik van inzichten uit eenvoudigere, kortere snaar-experimenten om de ontwerpen van langere snaren te verfijnen, waardoor het ontwikkelingsproces zowel economisch als effectief was.
Volgens Norte is het succes van dit project het resultaat van de vruchtbare samenwerking tussen experts op het gebied van nanotechnologie en machine learning en onderstreept het de interdisciplinaire aard van wetenschappelijk onderzoek.
Traagheidsnavigatie en nieuwe generatie microfoons
De implicaties van deze nanosnaren gaan verder dan fundamentele wetenschap. Ze bieden veelbelovende nieuwe mogelijkheden voor de integratie van zeer gevoelige sensoren met standaard microchiptechnologie, wat kan leiden tot nieuwe benaderingen in detectie op basis van trillingen. 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 vibrerend trommelvel voor de volgende generatie microfoons. Dit onderzoek toont het enorme scala aan mogelijkheden bij het combineren van nanotechnologische ontwikkelingen met machine learning om nieuwe technologische grenzen te verkennen.
Neem voor meer informatie over het onderzoek contact op met:
Prof. Richard Norte (r.a.norte@tudelft.nl) of Prof. Miguel Bessa (miguel.bessa@brown.edu).