Resonatoren Nanofäden schwingen länger als jedes andere Festkörpermaterial

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Forscher der TU Delft und der Brown University haben fadenähnliche Resonatoren entwickelt, die bei Raumtemperatur länger schwingen können als alle bisher bekannten Festkörperobjekte – und sich damit dem nähern, was derzeit nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt möglich ist. Ihre Studie stößt an die Grenzen der Nanotechnologie und des maschinellen Lernens, um einige der empfindlichsten mechanischen Sensoren der Welt zu entwickeln.

Die neu entwickelten Nanofäden weisen die höchsten mechanischen Qualitätsfaktoren auf, die je für ein Klemmobjekt bei Raumtemperatur gemessen wurden; in ihrem Fall auf einem Mikrochip. Dies macht die Technologie für die Integration in bestehende Mikrochip-Plattformen interessant. Mechanische Qualitätsfaktoren geben an, wie gut Energie aus einem vibrierenden Objekt herausklingt. Diese Saiten sind speziell so konzipiert, dass sie Schwingungen einschließen und ihre Energie nicht nach außen dringen lassen.

Eine 100-jährige Schaukel auf einem Mikrochip

„Stellen Sie sich eine Schaukel vor, die, einmal angeschoben, fast 100 Jahre lang schwingt, weil sie fast keine Energie durch die Seile verliert“, erklärt Richard Norte, außerordentlicher Professor. „Unsere Nanosaiten machen etwas Ähnliches, aber anstatt einmal pro Sekunde zu schwingen wie eine Schaukel, schwingen unsere Saiten 100.000 Mal pro Sekunde. Da es schwierig ist, Energie nach außen zu leiten, bedeutet dies auch, dass Umgebungsgeräusche nur schwer eindringen können, was sie zu den besten Sensoren für Umgebungen mit Raumtemperatur macht.“

Diese Innovation ist von zentraler Bedeutung für die Untersuchung makroskopischer Quantenphänomene bei Raumtemperatur – einer Umgebung, in der solche Phänomene bisher durch Rauschen verdeckt wurden. Während die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik in der Regel nur in einzelnen Atomen zu beobachten sind, ermöglicht die Fähigkeit der Nanofäden, sich von unserem alltäglichen wärmebasierten Vibrationsrauschen zu isolieren, einen Blick auf ihre eigenen Quantensignaturen – Saiten aus Milliarden von Atomen. In alltäglichen Umgebungen könnte diese Fähigkeit interessante Anwendungen für quantenbasierte Sensorik bieten.

Außergewöhnliche Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment

„Unser Herstellungsverfahren geht in eine andere Richtung als das, was heute in der Nanotechnologie möglich ist“, kommentiert Dr. Andrea Cupertino, der die Experimente leitete. Die Saiten sind 3 cm lang und 70 nm dick, aber im Maßstab wäre dies das Äquivalent zur Herstellung von Gitarrensaiten aus Glas, die einen halben Kilometer lang aufgehängt sind und fast nicht durchhängen. „Solche extremen Strukturen sind nur im Nanomaßstab möglich, wo die Auswirkungen von Schwerkraft und Gewicht anders wirken. Dies ermöglicht Strukturen, die in unseren alltäglichen Maßstäben nicht realisierbar wären, aber besonders nützlich für Miniaturgeräte sind, die zur Messung physikalischer Größen wie Druck, Temperatur, Beschleunigung und Magnetfelder verwendet werden, was wir MEMS-Sensorik nennen“, so Cupertino weiter.

Die Nanofäden werden mit Hilfe fortschrittlicher Nanotechnologietechniken hergestellt, die an der TU Delft entwickelt wurden und die die Grenzen der Herstellung dünner und langer schwebender Nanostrukturen erweitern. Das Besondere an der Zusammenarbeit ist, dass diese Nanostrukturen so perfekt auf einem Mikrochip hergestellt werden können, dass eine außergewöhnliche Übereinstimmung zwischen Simulationen und Experimenten besteht – was bedeutet, dass Simulationen als Daten für Algorithmen des maschinellen Lernens dienen können, anstatt teure Experimente durchzuführen.

„Unser Ansatz bestand darin, Algorithmen des maschinellen Lernens einzusetzen, um das Design zu optimieren, ohne ständig Prototypen herstellen zu müssen“, so der Hauptautor Dr. Dongil Shin, der diese Algorithmen zusammen mit Miguel Bessa entwickelt hat. Um die Effizienz des Entwurfs dieser großen, detaillierten Strukturen weiter zu steigern, nutzten die Algorithmen des maschinellen Lernens Erkenntnisse aus einfacheren, kürzeren String-Experimenten, um die Entwürfe längerer Strings zu verfeinern, wodurch der Entwicklungsprozess sowohl wirtschaftlich als auch effektiv wurde.

Laut Norte ist der Erfolg dieses Projekts ein Beweis für die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Experten der Nanotechnologie und des maschinellen Lernens und unterstreicht den interdisziplinären Charakter der wissenschaftlichen Spitzenforschung.

Trägheitsnavigation und Mikrofone der nächsten Generation

Die Auswirkungen dieser Nanofäden gehen über die Grundlagenforschung hinaus. Sie bieten vielversprechende neue Wege für die Integration hochempfindlicher Sensoren in die Standard-Mikrochiptechnologie, was zu neuen Ansätzen in der vibrationsbasierten Sensorik führt. Während sich diese ersten Studien auf Saiten konzentrieren, können die Konzepte auf komplexere Designs erweitert werden, um andere wichtige Parameter zu messen, wie z. B. die Beschleunigung für die Trägheitsnavigation oder etwas, das eher wie ein vibrierendes Trommelfell für die nächste Generation von Mikrofonen aussieht. Diese Forschungsarbeit zeigt, wie vielfältig die Möglichkeiten sind, die sich aus der Kombination von Nanotechnologie und maschinellem Lernen ergeben, um neue Grenzen in der Technologie zu eröffnen. (tk)

Nano-Beschichtungen

Neue Supraleiter sind dünn und biegsam wie Frischhaltefolie

Wärmeleitendes Polymer

Hohle Nanofäden sollen Elektronik effizient kühlen

(ID:50042447)