Risonatori nanomeccanici con piezoelettricità

Sviluppato un nuovo tipo di risonatore nanomeccanico che combina due importanti caratteristiche: elevata qualità meccanica e piezoelettricità. Questo sviluppo potrebbe aprire le porte a nuove possibilità nelle tecnologie di rilevamento quantistico

I risonatori meccanici con fattore di alta qualità (Q_m) sono fondamentali per le applicazioni in cui sono richiesti basso rumore e lunghi tempi di coerenza, come sospensioni di specchi, dispositivi optomeccanici a cavità quantistica o sensori nanomeccanici. La deformazione a trazione nel materiale consente l'uso di tecniche di diluizione della dissipazione e ingegneria della deformazione, che aumentano il fattore di qualità meccanica. Queste tecniche sono state impiegate per risonatori meccanici ad alto Q_m realizzati con materiali amorfi e, recentemente, con materiali cristallini come InGaP, SiC e Si. Una pellicola cristallina tesa che mostra una sostanziale piezoelettricità espande la capacità dei risonatori nanomeccanici ad alto Qm di utilizzare direttamente i gradi di libertà elettronici.

I risonatori meccanici sono stati utilizzati per secoli per una moltitudine di applicazioni. Un aspetto chiave di questi dispositivi è la loro capacità di vibrare a frequenze specifiche. Un esempio ben noto è il diapason. Quando viene colpito, il diapason oscilla alla sua frequenza di risonanza, producendo un'onda sonora nel nostro campo uditivo. Con i progressi nelle tecniche di microfabbricazione, i ricercatori sono stati in grado di ridurre i risonatori meccanici fino alla scala micro e nanometrica. A queste dimensioni minuscole, i risonatori oscillano a frequenze molto più elevate e mostrano una sensibilità maggiore rispetto alle loro controparti macroscopiche.

«Queste proprietà li rendono utili negli esperimenti di precisione, ad esempio per rilevare forze minuscole o cambiamenti di massa. Recentemente, i risonatori nanomeccanici hanno suscitato un notevole interesse tra i fisici quantistici a causa del loro potenziale utilizzo nelle tecnologie quantistiche. Ad esempio, l’uso di stati di movimento quantistici migliorerebbe ulteriormente la sensibilità dei risonatori nanomeccanici», afferma il dottor Witlef Wieczorek (1), professore di fisica alla Chalmers University of Technology e responsabile del progetto dello studio pubblicato su Advanced Materials (2).

Un requisito comune per queste applicazioni è che i risonatori nanomeccanici debbano sostenere la loro oscillazione per lunghi periodi senza perdere energia. Questa capacità è quantificata dal fattore di qualità meccanica. Un grande fattore di qualità meccanica implica anche che il risonatore mostri una maggiore sensibilità e che gli stati quantistici di movimento vivano più a lungo. Queste proprietà sono molto ricercate nelle applicazioni di rilevamento e tecnologia quantistica.

Alla ricerca di un materiale con un fattore di alta qualità e piezoelettricità incorporata

La maggior parte dei risonatori nanomeccanici più performanti sono realizzati in nitruro di silicio sottoposto a trazione, un materiale noto per la sua eccezionale qualità meccanica. Tuttavia, il nitruro di silicio è piuttosto “noioso” sotto altri aspetti: non conduce elettricità, né è magnetico o piezoelettrico. Questa limitazione ha rappresentato un ostacolo nelle applicazioni che richiedono il controllo in situ o l'interfacciamento di risonatori nanomeccanici con altri sistemi. Per soddisfare queste esigenze, è quindi necessario aggiungere un materiale funzionale sopra il nitruro di silicio. Questa aggiunta tende però a ridurre il fattore di qualità meccanica, che limita le prestazioni del risonatore.

Ora, i ricercatori della Chalmers University of Technology e dell’University of Magdeburg, in Germania, hanno fatto un grande passo avanti dimostrando un risonatore nanomeccanico fatto di nitruro di alluminio sottoposto a trazione, un materiale piezoelettrico che mantiene un elevato fattore di qualità meccanica.

«I materiali piezoelettrici convertono il movimento meccanico in segnali elettrici e viceversa. Può essere utilizzato per la lettura diretta e il controllo del risonatore nanomeccanico nelle applicazioni di rilevamento. Può anche essere utilizzato per interfacciare i gradi di libertà meccanici ed elettrici, il che è rilevante nella trasduzione delle informazioni, anche fino al regime quantistico», afferma la dottoressa Anastasiia Ciers (3), ricercatrice specializzata in tecnologia quantistica presso Chalmers e autrice principale dello studio pubblicato su Advanced Materials.

«Ciò suggerisce che il nitruro di alluminio sottoposto a trazione potrebbe essere una nuova potente piattaforma materiale per sensori o trasduttori quantistici», afferma Witlef Wieczorek.

I ricercatori hanno ora due obiettivi principali: migliorare ulteriormente il fattore qualità dei dispositivi e lavorare su progetti realistici di risonatori nanomeccanici che consentano loro di utilizzare la piezoelettricità per applicazioni di rilevamento quantistico.

Riferimenti:

(1) Witlef Wieczorek

(2) Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics

(3) Anastasiia Ciers

Descrizione foto: L'immagine mostra l'illustrazione di un risonatore nanomeccanico triangolare realizzato in materiale piezoelettrico. La parte centrale del risonatore ha la forma di un triangolo che si muove su e giù e allo stesso tempo funge da specchio per riflettere un raggio laser. Il risonatore è sospeso da sottili cavi ramificati per ridurre al minimo la perdita di energia meccanica derivante dal movimento della trianglina. - Credit: Chalmers/Boid.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: High-quality nanomechanical resonators with built-in piezoelectricity