Recorde mundial: Nano-membrana para a futura metrologia quântica
Os sistemas nanomecânicos atingiram agora um nível de precisão e miniaturização que permitirá a sua utilização em microscópios de força atómica de resolução ultra elevada no futuro
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Um grande salto na tecnologia de medição começa com um pequeno intervalo de apenas 32 nanómetros. Esta é a distância entre uma membrana móvel de alumínio e um elétrodo fixo, que juntos formam um condensador de placas paralelas extremamente compacto - um novo recorde mundial. Esta estrutura destina-se a ser utilizada em sensores de alta precisão, como os necessários para a microscopia de força atómica.
Ulrich Schmid, MinHee Kwon, Daniel Platz
© TU Wien
Mas este recorde mundial é mais do que apenas um impressionante feito de miniaturização - faz parte de uma estratégia mais alargada. A TU Wien está a desenvolver várias plataformas de hardware para tornar a deteção quântica mais fácil de utilizar, mais robusta e mais versátil. Nas experiências optomecânicas convencionais, o movimento de estruturas mecânicas minúsculas é lido através da luz. No entanto, as configurações ópticas são delicadas, complexas e difíceis de integrar em sistemas compactos e portáteis. Por isso, a TU Wien recorre a outros tipos de oscilações, para além das ópticas [DP1], que são mais adequadas para sensores compactos.
Empurrando em direção aos limites da Física Quântica
Na estrutura recordista com o condensador de 32 nanómetros, este papel é assumido por um circuito ressonante elétrico. Noutras experiências, a equipa da TU Wien utiliza ressonadores puramente mecânicos cujas vibrações podem ser deliberadamente acopladas umas às outras.
Ambas as plataformas têm o mesmo objetivo: aperfeiçoar as nanoestruturas mecânicas e electromecânicas até ao ponto em que um dia permitirão medições limitadas apenas pelas leis fundamentais da física quântica.
Medições ultra-precisas através de vibrações
Quando se toca num tambor, a sua membrana vibra. O som que produz revela o quão apertada está a sua tensão. "De forma semelhante, as vibrações da nossa nanomembrana são influenciadas por vários parâmetros", explica Daniel Platz, do Instituto de Sistemas de Sensores e Actuadores da TU Wien, que liderou o projeto juntamente com Ulrich Schmid. "A nossa membrana de alumínio forma um pequeno condensador juntamente com um elétrodo. Em combinação com um indutor, isto cria um circuito ressonante cuja ressonância é extremamente sensível a qualquer alteração na vibração mecânica."
Este acoplamento entre o movimento da membrana e o circuito ressonante elétrico permite medir vibrações extremamente pequenas. Normalmente, estas medições são sempre afectadas por ruído - incertezas provenientes de várias fontes. A temperatura pode introduzir ruído e os sinais ópticos ou eléctricos são inerentemente ruidosos porque são constituídos por partículas discretas. Embora os métodos de medição ótica possam, em princípio, ser muito precisos, as estruturas desenvolvidas na TU Wien alcançam agora um desempenho superior em termos de ruído, limitado apenas pelas leis da física quântica - sem depender de componentes ópticos.
Isto torna esta tecnologia um parceiro ideal para a microscopia de força atómica. Num microscópio de força atómica, uma ponta fina move-se sobre uma superfície. Pequenas forças entre os átomos da superfície e a ponta geram vibrações - a medição destas vibrações produz uma imagem extremamente precisa da superfície. "Substituímos as medições ópticas por medições do circuito ressonante elétrico - completamente sem componentes ópticos volumosos", explica Ioan Ignat, que trabalhou no projeto juntamente com MinHee Kwon. Ambos são atualmente candidatos a doutoramento na TU Wien.
Abrir a porta ao mundo quântico
De facto, mesmo o circuito ressonante elétrico não é estritamente necessário. Utilizando uma estrutura diferente, a equipa demonstrou que também podem ser utilizados sistemas puramente mecânicos integrados num chip. "Do ponto de vista da teoria quântica, não faz diferença fundamental se se trabalha com oscilações electromagnéticas ou com vibrações mecânicas - matematicamente, ambas podem ser descritas da mesma forma", diz MinHee Kwon.
Isto também evita o problema de os circuitos ressonantes eléctricos na deteção quântica necessitarem frequentemente de ser arrefecidos a temperaturas extremamente baixas. "Mesmo à temperatura ambiente, as vibrações de um sistema puramente micromecânico podem ser acopladas numa gama de frequências de GHz sem que o ruído térmico anule os efeitos de acoplamento", afirma Daniel Platz. "Isto é notável, uma vez que muitas das experiências de deteção quântica existentes só funcionam perto do zero absoluto".
"Os nossos resultados deixam-nos extremamente optimistas em relação ao futuro", afirma Daniel Platz. "Demonstrámos agora que as nossas nanoestruturas possuem as propriedades-chave necessárias para o fabrico de uma nova geração de sensores quânticos, fiáveis e altamente precisos. A porta para o mundo quântico está agora aberta - estamos entusiasmados por ver o que nos espera lá".
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