De hoogste versterking in kleine apparaten op nanoschaal

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Florida, geleid door Dr. Philip Feng, in samenwerking met Prof. Steven Shaw van het Florida Institute of Technology, heeft nu een extreem hoog-efficiënte mechanische signaalversterking aangetoond in mechanische resonatoren op nanoschaal die werken op radiofrequentie. De apparaten die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn misschien wel de kleinste mechanische resonatoren die versterking vertonen, en de bereikte winst is de hoogste die bekend is voor alle mechanische apparaten die tot nu toe zijn gerapporteerd.

De verplaatsingsversterking wordt gerealiseerd op basis van “parametrisch pompen of parametrische versterking” van mechanische beweging. Parametrische versterking kan voornamelijk worden bereikt wanneer een parameter van het systeem wordt gemoduleerd met tweemaal veelvouden van de frequentie. Een eenvoudig voorbeeld van parametrische versterking is een kind dat aan het schommelen is. Het kind kan periodiek twee keer staan ​​en hurken in een enkele periode van de schommel om de schommelamplitude te vergroten of te “versterken” zonder dat iemand helpt te duwen.

De onderzoekers hebben de parametrische versterking gerealiseerd in de kleine apparaten op nanoschaal. De mechanische parametrische versterkers op nanoschaal die in dit onderzoek zijn gedemonstreerd, bestaan ​​uit een atomair dun tweedimensionaal halfgeleidend molybdeendisulfide (MoS₂) membraan met een dikte van de drumvellen van 0,7, 2,8, 7,7 nanometer met een diameter van 1,8 micrometer en 0,0018-0,020 m³ qua volume. De nanodrums worden gefabriceerd door nanosheet geëxfolieerd van bulkkristal over microholtes over te brengen om gesuspendeerde atomair dunne nanodrums te maken.

De onderzoekers bespelen de nanodrums met behulp van een amplitude-gemoduleerde laser. Wanneer de laser zachtjes de nanodrums “raakt”, wordt de lichtenergie omgezet in warmte en kan thermische stress het apparaat parametrisch “afspelen” of “pompen” als de thermische activering tweemaal de frequentie heeft van de resonantiefrequentie van het apparaat. Dit parametrische pompproces zorgt ervoor dat de nanodrums met een grotere amplitude trillen, vergelijkbaar met percussie-instrumenten op veel grotere schaal. Onderzoekers vinden de fotothermische effecten in het halfgeleidende MoS₂ nanodrums zijn zeer effectief in vergelijking met andere hypothetische apparaten op nanoschaal die zijn samengesteld uit reguliere halfgeleidende materialen zoals silicium, dankzij de intrigerende thermische, optische en mechanische eigenschappen van atomair dun MoS₂ nanobladen.

De apparaten op nanoschaal vertonen gigantische parametrische versterkingswinsten tot 3600, de hoogst gemeten parametrische winst die bekend is voor alle tot nu toe gerapporteerde mechanische resonatoren op nano-/microschaal. De gigantische parametrische winst komt voort uit de uiterst dunne aard van het apparaat. De apparaten hebben een dikte die vergelijkbaar is met de grootte van een atoom, wat leidt tot de extreem hoge parametrische versterking in kleine mechanische apparaten.

De zeer efficiënte parametrische versterking zou kunnen worden aangepast om ultrakleine mechanische beweging te detecteren. In mechanische apparaten op nanoschaal was het een uitdaging om een ​​efficiënte verplaatsingssignaaltransductiemethode te hebben. Het is vaak verbonden met elektronische circuits, maar verplaatsingssignalen worden vaak gesuperponeerd op de veel grotere elektrische achtergrond en ruis van uitleeselektronica. Met behulp van parametrische versterking is het mogelijk om het signaal eerst direct in het mechanische domein te versterken vóór elektrische transductie, waardoor we overtollige versterkerruis kunnen verminderen.

Het extra voordeel van de parametrische versterking is dat de parametrische versterking het intrinsieke energieverlies van de resonatoren compenseert, waardoor mechanische trillingen binnen een zeer smalle frequentiebandbreedte worden beperkt. Vergeleken met de frequentierespons vóór de parametrische versterking, zijn lijnbreedte- of bandbreedtevernauwingsfactoren tot 180.000 aangetoond in de resonator op nanoschaal, waardoor het vermogen om de resonantiefrequentie te selecteren aanzienlijk is verbeterd. De onderzoekers legden uit dat de smalle lijnbreedte van cruciaal belang is voor sommige toepassingen, waaronder het bouwen van een nauwkeurige klok, en dus zou de parametrische versterking die in dit onderzoek is aangetoond, helpen bij het bouwen van hoogwaardige timingapparaten.

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat dit werk van groot belang zal zijn en een aanzienlijke impact zal hebben op het gebied van opkomende atomair dunne materialen en apparaten, nano-elektromechanische (NEMS) sensoren en actuatoren, parametrische werking van resonatoren op nanoschaal en nanomechanica. De onderzoekers kunnen ook verwachten dat, wanneer ze worden geïmplementeerd met een zorgvuldig ontwerp en verbeterde technische controle, dergelijke kleine apparaten een krachtige benadering en mogelijk een nieuw paradigma zullen worden voor het realiseren van hoogwaardige detectie- en andere informatieverwerkingsapparaten, zowel in klassieke als kwantumtechniek, metrologie , en andere toepassingen waar parametrische versterking een belangrijke rol zal spelen.

Dit werk is nu formeel aanvaard in Technische Natuurkunde Beoordelingen.