Record mondiale: nano membrana per la futura metrologia quantistica
I sistemi nanomeccanici hanno raggiunto un livello di precisione e miniaturizzazione tale da poter essere utilizzati in futuro nei microscopi a forza atomica ad altissima risoluzione
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Un grande balzo nella tecnologia di misurazione inizia con un minuscolo spazio di appena 32 nanometri. Questa è la distanza tra una membrana mobile di alluminio e un elettrodo fisso, che insieme formano un condensatore a piastre parallele estremamente compatto: un nuovo record mondiale. Questa struttura è destinata all'uso in sensori di alta precisione, come quelli necessari per la microscopia a forza atomica.
Ulrich Schmid, MinHee Kwon, Daniel Platz
© TU Wien
Ma questo record mondiale non è solo un'impressionante impresa di miniaturizzazione: fa parte di una strategia più ampia. La TU Wien sta sviluppando diverse piattaforme hardware per rendere il rilevamento quantistico più facile da usare, più robusto e più versatile. Negli esperimenti optomeccanici convenzionali, il movimento di piccole strutture meccaniche viene letto con la luce. Tuttavia, le configurazioni ottiche sono delicate, complesse e difficili da integrare in sistemi compatti e portatili. La TU Wien si affida quindi a tipi di oscillazione diversi da quelli ottici [DP1], più adatti a sensori compatti.
Spingersi verso i limiti della fisica quantistica
Nella struttura da record con il condensatore da 32 nanometri, questo ruolo è assunto da un circuito elettrico risonante. In altri esperimenti, il team della TU Wien utilizza risonatori puramente meccanici le cui vibrazioni possono essere deliberatamente accoppiate tra loro.
Entrambe le piattaforme perseguono lo stesso obiettivo: perfezionare le nanostrutture meccaniche ed elettromeccaniche fino a rendere possibili, un giorno, misure limitate solo dalle leggi fondamentali della fisica quantistica.
Misure ultraprecise attraverso le vibrazioni
Quando si colpisce un tamburo, la sua membrana vibra. Il suono che produce rivela quanto è tesa. "In modo simile, le vibrazioni della nostra nanomembrana sono influenzate da vari parametri", spiega Daniel Platz dell'Istituto di sistemi di sensori e attuatori della TU Wien, che ha guidato il progetto insieme a Ulrich Schmid. "La nostra membrana di alluminio forma un piccolo condensatore insieme a un elettrodo. In combinazione con un induttore, si crea un circuito risonante la cui risonanza è estremamente sensibile a qualsiasi variazione della vibrazione meccanica".
Questo accoppiamento tra il movimento della membrana e il circuito elettrico risonante consente di misurare vibrazioni estremamente piccole. Normalmente, tali misure sono sempre influenzate da incertezze dovute a disturbi di varia natura. La temperatura può introdurre rumore e i segnali ottici o elettrici sono intrinsecamente rumorosi perché composti da particelle discrete. Mentre i metodi di misura ottici possono essere in linea di principio molto precisi, le strutture sviluppate alla TU Wien raggiungono ora prestazioni di rumore superiori, limitate solo dalle leggi della fisica quantistica, senza fare affidamento sui componenti ottici.
Questo rende la tecnologia un partner ideale per la microscopia a forza atomica. In un microscopio a forza atomica, una punta sottile si muove appena sopra una superficie. Le minuscole forze tra gli atomi della superficie e la punta generano vibrazioni, misurando le quali si ottiene un'immagine estremamente precisa della superficie. "Sostituiamo le misure ottiche con quelle del circuito elettrico di risonanza, senza bisogno di ingombranti componenti ottici", spiega Ioan Ignat, che ha lavorato al progetto insieme a MinHee Kwon. Entrambi sono attualmente dottorandi presso la TU Wien.
Aprire la porta al mondo quantistico
In realtà, anche il circuito elettrico di risonanza non è strettamente necessario. Utilizzando una struttura diversa, il team ha dimostrato che è possibile utilizzare anche sistemi puramente meccanici integrati in un chip. "Dal punto di vista della teoria quantistica, non fa alcuna differenza se si lavora con oscillazioni elettromagnetiche o con vibrazioni meccaniche: dal punto di vista matematico, entrambe le cose possono essere descritte allo stesso modo", afferma MinHee Kwon.
In questo modo si evita anche il problema dei circuiti elettrici risonanti nel rilevamento quantistico, che spesso devono essere raffreddati a temperature estremamente basse. "Anche a temperatura ambiente, le vibrazioni di un sistema puramente micromeccanico possono essere accoppiate in una gamma di frequenze di GHz senza che il rumore termico sovrasti gli effetti di accoppiamento", afferma Daniel Platz. "Questo è notevole, dato che molti esperimenti di rilevamento quantistico esistenti funzionano solo in prossimità dello zero assoluto".
"I nostri risultati ci rendono estremamente ottimisti per il futuro", afferma Daniel Platz. "Abbiamo dimostrato che le nostre nanostrutture possiedono le proprietà chiave necessarie per produrre una nuova generazione di sensori quantistici affidabili e altamente precisi. La porta del mondo quantistico è ora aperta: siamo entusiasti di vedere cosa ci aspetta".
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