Vienoje sukurtas 32 nanometrų kondensatorius leidžia matuoti vibracijas kvantiniu mastu net kambario temperatūroje.
- 32 nanometrų tarpas, rekordiškai sumažintas dydis, ekstremalus matavimas.
- Kompaktiški kvantiniai jutikliai, be trapių optinių elementų.
- Mechaniniai ir elektriniai virpesiai, itin tikslūs rodmenys.
- Prieinamesnė atominė mikroskopija, mažesnis energijos suvartojimas ir sudėtingumas.
- Kambario temperatūros technologija, praktinis šuolis į priekį laboratorijoms ir šiai sričiai.
Nano membrana ateities kvantinei metrologijai
Tik 32 nanometrų ploto erdvė – mažesnė už daugelį bakterijų ir plonesnė už matomos šviesos bangos ilgį – tapo nauja ekstremalių matavimų arena. Šioje mikroskopinėje erdvėje judamoji aliuminio membrana ir fiksuotas elektrodas sudaro mažiausią pasaulyje plokščią kondensatorių, pagrindinį komponentą, sukurtą Vienos technologijos universitete (TU Wien), siekiant išvesti kvantinę metrologiją iš klasikinės laboratorijos ir priartinti ją prie realių, nešiojamų ir patikimų prietaisų.
Advanced Materials Technologies paskelbtas tyrimas nėra skirtas tik miniatiūrizacijos rekordui pasiekti. Už jo slypi aiški strategija: sukurti paprastesnes, lengviau integruojamas ir atsparesnes kvantinių jutiklių platformas, galinčias veikti be šiuo metu šioje srityje dominuojančių sudėtingų optinių sistemų. Mažiau lazerių, mažiau milimetrinių derinimo veiksmų, mažiau energijos suvartojimo. Daugiau lustų. Daugiau sričių. Daugiau realių pritaikymų.
Matavimų stūmimas iki kvantinės fizikos ribų
Tradiciškai tokių mažų struktūrų judėjimo skaitymui naudojama šviesa. Optika užtikrina tikslumą, tačiau yra trapi. Vienas nedidelis netikslumas ir viskas sugriūna. Todėl TU Wien komanda pasirinko kitą kelią: elektros ir mechaniniai svyravimai, tiesiogiai susieti su lustu.
32 nanometrų kondensatoriaus įtaise aliuminio membrana veikia kaip elektrinio rezonansinio grandyno dalis. Bet koks, net ir mažiausias, virpesys keičia jo dažnį. Tai tarsi sistemos „muzikinė nata“: pakeitus įtampą, pasikeičia garsas. Tik čia tas „garsas“ matuojamas su tikslumu, kuris ribojasi su pačios kvantinės mechanikos nustatytomis ribomis.
Kituose prototipuose grupė eina dar toliau ir visiškai atsisako elektrinės dalies. Ji naudoja grynai mechaninius rezonatorius, kurių vibracijos susiejamos tarpusavyje dažniais, siekiančiais kelis gigahercus. Rezultatas: sistemos, galinčios veikti kambario temperatūroje, kas yra neįprasta kvantiniams jutikliams, kurie paprastai turi būti atšaldyti iki beveik absoliučios nulinės temperatūros, kad terminis triukšmas nesugadintų visko.
Matavimas vibracijomis, o ne šviesa
Daniel Platz, vienas iš projekto vadovų, tai paaiškina paprastu vaizdiniu: kaip būgnas. Membranos vibracijos rodo, kaip ji yra įtempta. Šiuo atveju aliuminio membrana ne tik vibruoja, bet ir paverčia šias vibracijas į ypač jautrius elektrinius signalus, nes turi rezonansinį grandyną.
Šis sujungimas leidžia aptikti tokį mažą judesį, kad pagrindinis apribojimas yra nebe elektronika ar temperatūra, o pačios kvantinės fizikos dėsniai. Praktiniu požiūriu tai atveria didžiules galimybes atominės jėgos mikroskopijai, kuri yra pagrindinė technika paviršių peržiūrai atomu po atomo.
Šiuose mikroskopuose labai plonas antgalis „plūduriuoja“ virš paviršiaus. Jėgos tarp mėginio atomų ir galiuko sukelia mažus virpesius. Teisingas jų nuskaitymas yra tai, kas skiria neryškų vaizdą nuo aiškaus atominio žemėlapio. Optinių sistemų pakeitimas lustuose integruotais elektriniais skaitymo prietaisais reiškia kompaktiškesnę, pigesnę įrangą, kurią daug lengviau perkelti į pramonines aplinkas, ligonines ar atokias tyrimų stotis.
Iš laboratorijos į realų pasaulį
Tikroji naujovė yra ne tik tikslumas, bet ir mastelio keitimas. Šie prietaisai gaminami naudojant technologijas, suderinamas su dabartine mikroelektronika. Tai reiškia, kad vietoj unikalių ir labai brangių kvantinių jutiklių visas matricas galima pagaminti ant vieno silicio plokštelės.
Įsivaizduokite aplinkos stotis, galinčias matuoti cheminius ar biologinius pokyčius ore ir vandenyje su atominio jautrumo tikslumu.
Arba nešiojama įranga, skirta medžiagų analizei infrastruktūros darbuose, baterijose, saulės baterijose ar vandenilio saugojimo sistemose. Viskas tai pradeda atrodyti nebe mokslinė fantastika, kai jutiklis telpa ant lusto ir veikia be kriogenikos.
Be to, mažesnė priklausomybė nuo optinių sistemų reiškia mažesnį energijos suvartojimą ir mažiau specializuotų medžiagų. Tai detalė, kuri pasaulyje, siekiančiame efektyvumo ir tvarumo, yra labai svarbi.
Potencialas
Tokio tipo nanodevices rodo scenarijų, kuriame tikslūs matavimai nebėra prabanga, bet tampa kasdieniu įrankiu, padedančiu priimti geresnius sprendimus aplinkos apsaugos srityje. Nuo paskirstytų jutiklių tinklų, kurie stebi oro kokybę miestuose, iki mobiliųjų laboratorijų, kurios vertina žemės ūkio dirvožemį prieš naudojant trąšas ar augalų apsaugos produktus.
Vidutinės trukmės laikotarpiu šių jutiklių integravimas į pramonines sistemas gali padėti uždaryti medžiagų ciklus, aptikti nematomus energijos ar cheminių medžiagų nuostolius ir pagerinti pagrindinių energetikos perėjimo procesų efektyvumą.
Tai ne tik vartai į „kvantinį pasaulį“, kaip sako mokslininkai. Tai vartai į technologiją, kuri, tinkamai naudojama, gali padaryti kažką labai praktiško: sunaudoti mažiau išteklių, pagaminti mažiau atliekų ir geriau suprasti planetą, kurią bandome apsaugoti. O tai šiandien jau yra labai konkreti tvarumo forma.
