Ressonador SiN sob aquecimento localizado

Um ressonador SiN sob aquecimento localizado. Diferentes modos têm diferentes temperaturas efetivas dependendo da sobreposição espacial entre a temperatura local e a densidade de dissipação do modo. Crédito
Steven Burrows/Grupo Regal

Os pesquisadores descobriram distribuições de temperatura não uniformes em ressonadores micromecânicos, impactando seu design e desempenho na ciência quântica e na detecção de precisão.

Ao medir pequenas alterações em quantidades como forças, campos magnéticos, massas de pequenas partículas ou mesmo ondas gravitacionais, os físicos usam ressonadores micromecânicos, que agem como diapasões, ressoando em frequências específicas. Tradicionalmente, presumia-se que a temperatura nesses dispositivos era uniforme.

Variabilidade de temperatura em ressonadores

No entanto, uma nova pesquisa da JILA Fellow e professora de física da Universidade do Colorado em Boulder, Cindy Regal, e sua equipe, Dr. Ravid Shaniv e o estudante de pós-graduação Chris Reetz, descobriram que em cenários específicos, como estudos avançados que analisam as interações entre luz e objetos mecânicos, a temperatura pode diferir em várias partes do ressonador, o que leva a comportamentos inesperados. Suas observações, publicadas em Pesquisa de revisão físicapode revolucionar potencialmente o design de ressonadores micromecânicos para tecnologia quântica e detecção de precisão.

“Em experimentos de ciência quântica, compreender as ramificações dessa diferença de temperatura permitirá que você gere seu estado quântico mecânico com melhor fidelidade e mantê-lo imperturbável por mais tempo, ambos pontos de partida essenciais para aplicações quânticas”, elaborou o associado de pesquisa de pós-doutorado e primeiro autor da JILA, Ravid Shaniv.

Os modos dos medidores de minutos

Devido ao seu design flexível, os ressonadores micromecânicos são uma ferramenta padrão em muitos campos diferentes da física. Esses dispositivos geralmente são feitos de silício ou materiais semelhantes e podem assumir vários formatos: vigas, cantilevers, membranas ou discos. Seu pequeno tamanho permite que oscilem em altas frequências, muitas vezes na faixa de megahertz (MHz) a gigahertz (GHz).
A versatilidade do design de um ressonador micromecânico também permite que os físicos ajustem suas oscilações. Assim como uma corda de violão pode vibrar de várias maneiras (com a corda inteira se movendo para frente e para trás ou apenas partes balançando enquanto o resto permanece imóvel), os ressonadores micromecânicos podem oscilar em diferentes padrões ou “modos”. O modo mais familiar é o modo fundamental, onde toda a estrutura se move em uníssono. Mas também existem modos de ordem superior, onde outras partes do ressonador se movem em padrões mais complexos.

Para medir o movimento de um ressonador, os físicos usam raios laser. O ressonador atua como um “espelho móvel” e a luz laser que reflete carrega informações sobre sua posição. Quando comparado à luz que reflete em um espelho fixo separado, um padrão de interferência é desenvolvido, revelando o movimento do ressonador com altíssima precisão.

Ao longo dos anos observando opticamente esses modos e discutindo-os com outros físicos, Shaniv e Regal perceberam algo interessante. “As pessoas observaram que alguns desses modos exibem mais movimento térmico do que outros”, afirmou Shaniv. “Normalmente, as pessoas querem eliminar esse movimento tanto quanto possível porque ele pode ofuscar qualquer pequeno efeito que queiram sentir.”

Os físicos postularam que esse excesso de movimento térmico pode ser devido ao ressonador absorver a luz laser na forma de calor. Diferentes modos de ressonador podem ter diferentes padrões de movimento, levando a diversas áreas de tensão ou deformação, o que pode, por sua vez, levar a magnitudes distintas de movimento térmico.

Em muitas observações, quanto mais complexo o modo do ressonador, mais a sua energia térmica se desvia das teorias anteriores, que sugeriam que a temperatura para cada modo era idêntica. Shaniv continuou: “Queríamos descobrir a razão para isso e como você pode alcançar o design ideal para esses modos”.

Criação de perfis de temperatura

Para se aprofundar nesse enigma da temperatura, Shaniv e Regal criaram perfis de temperatura específicos para cada modo. Para fazer isso, os pesquisadores utilizaram um “cristal fonônico” composto de nitreto de silício. O cristal funcionou como um playground onde os pesquisadores puderam projetar os modos do ressonador e gerar perfis variados de temperatura, permitindo-lhes observar o movimento térmico induzido de cada modo do ressonador.

Para criar o perfil de temperatura, a equipe aqueceu um ponto no cristal a temperaturas muito altas, mantendo a borda do ressonador em temperatura ambiente. Depois que um perfil foi desenvolvido e o movimento térmico medido, os pesquisadores encontraram alguns resultados bastante interessantes. Dependendo da geometria do modo, alguns modos mostraram aumento do movimento térmico, enquanto, embora partes do ressonador estivessem extremamente quentes, outros mostraram apenas aquecimento moderado e alguns não exibiram nenhum aquecimento. “Ao girar o botão totalmente no experimento, você pode ver essa diferença marcante”, elaborou Regal.

Shaniv continuou: “Observando essas grandes diferenças de temperatura entre os modos, fomos capazes de construir o perfil de temperatura de um ressonador diretamente a partir do movimento térmico medido e até mesmo encontrar alguns parâmetros de material que normalmente não são fáceis de avaliar, por exemplo, a emissividade, que é a quantidade de radiação que nosso dispositivo emite.”
Ao ver quais modos estão correlacionados com diferentes movimentos térmicos, a equipe poderia começar a prever como o desempenho dos ressonadores pode mudar dependendo do seu modo. Como Regal explicou: “Um próximo passo natural é perguntar se esses conceitos podem ser utilizados não apenas na compreensão de como manter os ressonadores frios para estudos quânticos, mas também na detecção térmica”.

Projetando melhores ressonadores

Com os conhecimentos adquiridos, as comunidades científicas e de engenharia poderiam fazer avanços significativos na concepção e aplicação destes dispositivos minúsculos, mas cruciais. “Na verdade, atribuímos ao nosso artigo uma figura real de mérito, com a qual os grupos podem trabalhar nessa direção”, elaborou Shaniv. “Por exemplo, agora temos um parâmetro específico para lançar como restrição no computador e tentar gerar o melhor ressonador possível.”

Referência: “Medição direta de um banho termal espacialmente variável usando movimento browniano” por Ravid Shaniv, Chris Reetz e Cindy A. Regal, 6 de novembro de 2023, Pesquisa de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043121



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