Défier la gravité : des nanocordes qui imitent les effets quantiques à température ambiante

Des chercheurs de la TU Delft et de l'Université Brown ont développé des résonateurs en forme de corde qui peuvent vibrer plus longtemps à température ambiante que tout autre objet à l'état solide connu.

Des chercheurs de la TU Delft et de l'Université Brown ont développé des résonateurs en forme de corde qui peuvent vibrer plus longtemps à température ambiante que tout autre objet à l'état solide connu, se rapprochant ainsi des performances généralement observées à proximité. zéro absolu. Publié dans Communications naturellesleur étude fait progresser les domaines de la nanotechnologie et apprentissage automatiquecréant certains des capteurs mécaniques les plus sensibles au monde.

Les nanostrings nouvellement développés présentent les facteurs de qualité mécanique les plus élevés jamais enregistrés pour tout objet de serrage dans des environnements à température ambiante ; dans leur boîtier, fixés sur une puce électronique. Cela rend la technologie intéressante pour l’intégration avec les plates-formes de micropuces existantes. Les facteurs de qualité mécanique représentent la façon dont l’énergie sort d’un objet vibrant. Ces cordes sont spécialement conçues pour emprisonner les vibrations et ne pas laisser s'échapper leur énergie.

Une balançoire de 100 ans sur une puce électronique

« Imaginez une balançoire qui, une fois poussée, continue de se balancer pendant près de 100 ans car elle ne perd presque aucune énergie à travers les cordes », explique le professeur agrégé Richard Norte. « Nos nanocordes font quelque chose de similaire, mais au lieu de vibrer une fois par seconde comme une balançoire, nos cordes vibrent 100 000 fois par seconde. Parce qu'il est difficile pour l'énergie de s'échapper, cela signifie également que le bruit ambiant est difficile à pénétrer, ce qui en fait l'un des meilleurs capteurs pour les environnements à température ambiante.

Cette innovation est essentielle pour étudier les phénomènes quantiques macroscopiques à température ambiante, des environnements où ces phénomènes étaient auparavant masqués par le bruit. Alors que les lois étranges de la mécanique quantique ne sont généralement visibles que dans des atomes uniques, la capacité des nanocordes à s'isoler de notre bruit vibratoire quotidien basé sur la chaleur leur permet d'ouvrir une fenêtre sur leurs propres signatures quantiques ; des cordes constituées de milliards d’atomes. Dans les environnements quotidiens, ce type de capacité aurait des utilisations intéressantes pour la détection quantique.

Professeur Richard Norte dans son laboratoire de la Faculté de génie mécanique de l'Université de technologie de Delft. Crédit : Studio Wavy pour l’Université de technologie de Delft

Adéquation extraordinaire entre simulation et expérience

« Notre processus de fabrication va dans une direction différente par rapport à ce qui est possible aujourd'hui en nanotechnologie », a déclaré le Dr Andrea Cupertino, qui a dirigé les efforts expérimentaux. Les cordes mesurent 3 centimètres de long et 70 nanomètres d'épaisseur, mais à plus grande échelle, cela équivaudrait à fabriquer des cordes de guitare en verre suspendues sur un demi-kilomètre sans presque aucun affaissement. « Ce type de structures extrêmes n’est réalisable qu’à l’échelle nanométrique, où les effets de la gravité et du poids interviennent différemment. Cela permet de réaliser des structures qui seraient irréalisables à notre échelle quotidienne, mais qui sont particulièrement utiles dans les dispositifs miniatures utilisés pour mesurer des grandeurs physiques telles que la pression, la température, l'accélération et les champs magnétiques, que nous appelons détection MEMS », explique Cupertino.

Les nanostrings sont fabriqués à l'aide de techniques de nanotechnologie avancées développées à la TU Delft, repoussant les limites de la fabrication de nanostructures fines et longues suspendues. L’un des éléments clés de cette collaboration réside dans le fait que ces nanostructures peuvent être réalisées si parfaitement sur une micropuce qu’il existe une correspondance extraordinaire entre les simulations et les expériences – ce qui signifie que les simulations peuvent servir de données pour des algorithmes d’apprentissage automatique, plutôt que d’expériences coûteuses. « Notre approche impliquait l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique pour optimiser la conception sans fabriquer continuellement de prototypes », a noté l'auteur principal, le Dr Dongil Shin, qui a développé ces algorithmes avec Miguel Bessa. Pour améliorer encore l'efficacité de la conception de ces grandes structures détaillées, les algorithmes d'apprentissage automatique ont intelligemment utilisé les informations issues d'expériences de chaînes plus simples et plus courtes pour affiner la conception de chaînes plus longues, rendant le processus de développement à la fois économique et efficace.

Selon Norte, le succès de ce projet témoigne de la collaboration fructueuse entre experts en nanotechnologie et en apprentissage automatique, soulignant la nature interdisciplinaire de la recherche scientifique de pointe.

Navigation inertielle et microphones de nouvelle génération

Les implications de ces nanostrings vont au-delà de la science fondamentale. Ils offrent de nouvelles voies prometteuses pour l’intégration de capteurs hautement sensibles à la technologie des micropuces standard, conduisant à de nouvelles approches en matière de détection basée sur les vibrations. Bien que ces premières études se concentrent sur les cordes, les concepts peuvent être étendus à des conceptions plus complexes pour mesurer d'autres paramètres importants comme l'accélération pour la navigation inertielle ou quelque chose qui ressemble davantage à une peau de tambour vibrante pour les microphones de nouvelle génération. Cette recherche démontre le vaste éventail de possibilités lorsqu’on combine les progrès de la nanotechnologie avec l’apprentissage automatique pour ouvrir de nouvelles frontières technologiques.