Impressão artística de novas nanocordas que podem vibrar por muito tempo. Essas nanocordas vibram mais de 100.000 vezes por segundo. Como é difícil vazar energia, isso também significa que é difícil entrar ruído ambiental, o que torna esses sensores alguns dos melhores para ambientes com temperatura ambiente. Crédito: Richard Norte
Pesquisadores da TU Delft e da Brown University desenvolveram ressonadores semelhantes a cordas que podem vibrar por mais tempo à temperatura ambiente do que qualquer outro objeto de estado sólido conhecido.
Pesquisadores da TU Delft e da Brown University desenvolveram ressonadores semelhantes a cordas que podem vibrar por mais tempo à temperatura ambiente do que qualquer outro objeto de estado sólido conhecido, aproximando-se do desempenho normalmente visto apenas perto zero absoluto. Publicado em Comunicações da Naturezaseu estudo avança nos campos da nanotecnologia e aprendizado de máquinacriando alguns dos sensores mecânicos mais sensíveis do mundo.
Os nanostrings recentemente desenvolvidos apresentam os mais altos fatores de qualidade mecânica já registrados para qualquer objeto de fixação em ambientes com temperatura ambiente; no caso deles, preso a um microchip. Isto torna a tecnologia interessante para integração com plataformas de microchip existentes. Fatores de qualidade mecânica representam quão bem a energia ressoa em um objeto vibrante. Essas cordas são especialmente projetadas para reter vibrações e não permitir que sua energia vaze.
Um balanço de 100 anos em um microchip
“Imagine um balanço que, uma vez empurrado, continua balançando por quase 100 anos porque quase não perde energia pelas cordas”, diz o professor associado Richard Norte. “Nossas nanocordas fazem algo semelhante, mas em vez de vibrar uma vez por segundo como um balanço, nossas cordas vibram 100 mil vezes por segundo. Como é difícil vazar energia, isso também significa que é difícil entrar ruído ambiental, o que torna esses sensores alguns dos melhores para ambientes com temperatura ambiente.
Esta inovação é fundamental para o estudo de fenómenos quânticos macroscópicos à temperatura ambiente – ambientes onde tais fenómenos eram anteriormente mascarados pelo ruído. Embora as estranhas leis da mecânica quântica sejam normalmente vistas apenas em átomos individuais, a capacidade das nanocordas de se isolarem do nosso ruído vibracional diário baseado no calor permite-lhes abrir uma janela para as suas próprias assinaturas quânticas; cordas feitas de bilhões de átomos. Em ambientes cotidianos, esse tipo de capacidade teria usos interessantes para detecção baseada em quântica.
Professor Richard Norte em seu laboratório na Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade de Tecnologia de Delft. Crédito: Studio Wavy para Delft University of Technology
Combinação extraordinária entre simulação e experimento
“Nosso processo de fabricação segue uma direção diferente em relação ao que é possível hoje em nanotecnologia”, disse a Dra. Andrea Cupertino, que liderou os esforços experimentais. As cordas têm 3 centímetros de comprimento e 70 nanômetros de espessura, mas ampliadas, isso seria o equivalente a fabricar cordas de vidro para guitarra que ficam suspensas por meio quilômetro quase sem curvatura. “Este tipo de estruturas extremas só são viáveis em nanoescalas, onde os efeitos da gravidade e do peso entram de forma diferente. Isso permite estruturas que seriam inviáveis em nossas escalas cotidianas, mas são particularmente úteis em dispositivos em miniatura usados para medir quantidades físicas como pressão, temperatura, aceleração e campos magnéticos, que chamamos de detecção MEMS”, explica Cupertino.
As nanocordas são criadas usando técnicas avançadas de nanotecnologia desenvolvidas na TU Delft, ampliando os limites de como nanoestruturas suspensas finas e longas podem ser feitas. A chave da colaboração é que estas nanoestruturas podem ser feitas tão perfeitamente num microchip, que existe uma correspondência extraordinária entre simulações e experiências – o que significa que as simulações podem funcionar como dados para algoritmos de aprendizagem automática, em vez de experiências dispendiosas. “A nossa abordagem envolveu a utilização de algoritmos de aprendizagem automática para otimizar o design sem fabricar continuamente protótipos”, observou o autor principal, Dr. Dongil Shin, que desenvolveu estes algoritmos com Miguel Bessa. Para aumentar ainda mais a eficiência do projeto dessas grandes estruturas detalhadas, os algoritmos de aprendizado de máquina utilizaram de forma inteligente insights de experimentos de cordas mais simples e mais curtas para refinar os projetos de cordas mais longas, tornando o processo de desenvolvimento econômico e eficaz.
Segundo Norte, o sucesso deste projeto é uma prova da colaboração frutífera entre especialistas em nanotecnologia e aprendizagem automática, sublinhando a natureza interdisciplinar da investigação científica de ponta.
Navegação inercial e microfones de última geração
As implicações dessas nanocordas vão além da ciência básica. Eles oferecem novos caminhos promissores para a integração de sensores altamente sensíveis com tecnologia de microchip padrão, levando a novas abordagens em detecção baseada em vibração. Embora esses estudos iniciais se concentrem em cordas, os conceitos podem ser expandidos para projetos mais complexos para medir outros parâmetros importantes, como aceleração para navegação inercial ou algo mais parecido com uma pele vibratória para microfones de próxima geração. Esta pesquisa demonstra a vasta gama de possibilidades ao combinar os avanços da nanotecnologia com o aprendizado de máquina para abrir novas fronteiras na tecnologia.
Referência: “Ressonadores nanomecânicos em escala centimétrica com baixa dissipação” por Andrea Cupertino, Dongil Shin, Leo Guo, Peter G. Steeneken, Miguel A. Bessa e Richard A. Norte, 18 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48183-7
