Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia y la Universidad de Magdeburgo en Alemania han desarrollado un nuevo tipo de resonador nanomecánico que combina dos propiedades importantes: alta calidad mecánica y piezoelectricidad. Este avance podría abrir la puerta a nuevas posibilidades en las tecnologías de detección cuántica.
Los resonadores mecánicos se han utilizado durante siglos para muchas aplicaciones. Un aspecto importante de estos dispositivos es su capacidad de vibrar a frecuencias específicas. Un ejemplo muy conocido es el diapasón. Cuando se golpea, el diapasón vibra en su frecuencia de resonancia, creando una onda sonora en el rango de nuestra audición. Gracias a los avances en las técnicas de microfabricación, los investigadores han podido reducir los resonadores mecánicos a escalas micro y nanométricas. En estos tamaños pequeños, los resonadores oscilan a frecuencias mucho más altas y exhiben una mayor sensibilidad que sus homólogos macroscópicos.
“Estas propiedades los hacen útiles en experimentos de precisión, por ejemplo para detectar pequeñas fuerzas o grandes cambios de masa. Recientemente, los resonadores nanomecánicos han ganado interés entre los físicos cuánticos debido a sus posibles aplicaciones en tecnologías cuánticas. Por ejemplo, el uso de estados cuánticos de El movimiento ha despertado un interés considerable en esta nanomecánica, afirma Witlieff Wyzorek, profesor de física de la Universidad Tecnológica de Chalmers. mejorará aún más la sensibilidad de los resonadores.
Un requisito común para estas aplicaciones es que los resonadores nanomecánicos deben mantener sus oscilaciones durante largos períodos de tiempo sin perder su energía. Esta capacidad se cuantifica mediante el factor de calidad mecánica. Un factor de calidad mecánica mayor también implica que el resonador exhibe una mejor sensibilidad y estados de movimiento cuánticos de mayor duración. Estas propiedades son muy buscadas en aplicaciones de tecnología cuántica y de detección.
Buscando un material con un elemento de alta calidad y piezoelectricidad incorporada.
La mayoría de los resonadores nanomecánicos de mejor rendimiento están hechos de nitruro de silicio trenzado a tracción, un material conocido por sus excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, el nitruro de silicio es bastante “aburrido” en otros aspectos: no conduce la electricidad, ni es magnético ni piezoeléctrico. Esta limitación ha sido un obstáculo en aplicaciones que requieren control interno o interfaz de resonadores nanomecánicos con otros sistemas. Para cumplir estos requisitos, es necesario añadir un material activo encima del nitruro de silicio. Sin embargo, este aumento reduce el factor de calidad mecánica, lo que limita el rendimiento del resonador.
Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers y la Universidad de Magdeburgo en Alemania han dado un gran paso al demostrar un resonador nanomecánico hecho de nitruro de aluminio tensado por tracción, un material piezoeléctrico que mantiene un alto factor de calidad mecánica.
“Los materiales piezoeléctricos convierten el movimiento mecánico en señales eléctricas y viceversa. Se puede utilizar para la lectura directa y el control de resonadores nanomecánicos en aplicaciones de detección. Se puede utilizar para interconectar grados de libertad mecánicos y eléctricos. También se puede utilizar para, que es relevante en el transporte de información, incluso hasta el régimen cuántico”, afirma Anastasia Sears, investigadora y experta en tecnología cuántica de Chalmers. El autor principal de Contenido avanzado.
El resonador de nitruro de aluminio alcanza un factor de calidad de más de 10 millones.
“Esto sugiere que el nitruro de aluminio sometido a deformación puede ser una nueva y potente plataforma material para sensores o transductores cuánticos”, afirma Witlieff Wyzorek.
Los investigadores ahora tienen dos objetivos principales: mejorar aún más el factor de calidad de los dispositivos y trabajar en diseños de resonadores nanomecánicos realistas que les permitan aprovechar la piezoelectricidad para aplicaciones de detección cuántica.
Acerca de los resonadores nanomecánicos basados en nitruro de aluminio
Los investigadores utilizaron una fina película de nitruro de aluminio de 295 nanómetros altamente presurizada para fabricar sus resonadores nanomecánicos. La tensión era de aproximadamente 1 GPa, equivalente a mantener en equilibrio dos elefantes sobre un clavo. Los investigadores utilizaron esta alta tensión en una técnica llamada dilución por disipación, que aumenta el factor de calidad mecánica. La película de nitruro de aluminio se hizo crecer epitaxialmente sobre un sustrato de silicio, lo que garantiza la alta calidad cristalina de la película para preservar la piezoelectricidad del nitruro de aluminio. Crearon un nuevo diseño de resonador, llamado Triángulo, que parece una estructura fractal con una almohadilla triangular central. Este resonador triangular puede sostener una única oscilación cuántica coherente a temperatura ambiente, un criterio importante para su aplicación en tecnología cuántica.
