התמודדות עם כוח המשיכה: ננו-מיתרים המחקים אפקטים קוונטיים בטמפרטורת החדר

חוקרים מ-TU Delft ואוניברסיטת בראון פיתחו מהודים דמויי מיתר שיכולים לרטוט זמן רב יותר בטמפרטורת הסביבה מכל עצם מוכר אחר במצב מוצק.

חוקרים מאוניברסיטת דלפט ומאוניברסיטת בראון פיתחו מהודים דמויי מיתר שיכולים לרטוט זמן רב יותר בטמפרטורת הסביבה מכל עצם מוכר אחר במצב מוצק, ומתקרבים לביצועים הנראים בדרך כלל רק ליד אפס מוחלט. פורסם ב תקשורת טבעהמחקר שלהם מקדם את תחומי הננוטכנולוגיה ו למידת מכונהיוצר כמה מהחיישנים המכניים הרגישים ביותר בעולם.

הננו-מיתרים החדשים שפותחו מתהדרים בגורמי האיכות המכניים הגבוהים ביותר שנרשמו אי פעם עבור כל עצם הידוק בסביבות טמפרטורת החדר; במקרה שלהם מהודק לשבב. זה הופך את הטכנולוגיה למעניינת לשילוב עם פלטפורמות מיקרו-שבבים קיימות. גורמי איכות מכניים מייצגים עד כמה האנרגיה מצלצלת מתוך עצם רוטט. מיתרים אלה תוכננו במיוחד כדי ללכוד תנודות פנימה ולא לתת לאנרגיה שלהם לדלוף החוצה.

תנופה של 100 שנה על שבב

"תארו לעצמכם נדנדה שברגע שנדחפה, ממשיכה להתנדנד כמעט 100 שנה כי היא כמעט ולא מאבדת אנרגיה דרך החבלים", אומר פרופסור חבר ריצ'רד נורטה. "המיתרים שלנו עושים משהו דומה, אבל במקום לרטוט פעם בשנייה כמו נדנדה, המיתרים שלנו רוטטים 100,000 פעמים בשנייה. מכיוון שקשה לאנרגיה לזלוג החוצה, זה גם אומר שקשה להיכנס לרעש סביבתי, מה שהופך אותם לכמה מהחיישנים הטובים ביותר עבור סביבות טמפרטורת החדר.

חידוש זה הוא חיוני לחקר תופעות קוונטיות מאקרוסקופיות בטמפרטורת החדר – סביבות שבהן תופעות כאלה היו מוסוות בעבר על ידי רעש. בעוד שהחוקים המוזרים של מכניקת הקוונטים נראים בדרך כלל רק באטומים בודדים, היכולת של הננו-מיתרים לבודד את עצמם מרעשי הרטט היומיומי המבוסס על חום מאפשרת להם לפתוח צוהר לחתימות הקוונטיות שלהם; מיתרים העשויים ממיליארדי אטומים. בסביבות יומיומיות, לסוג כזה של יכולת יהיו שימושים מעניינים עבור חישה מבוססת קוונטים.

התאמה יוצאת דופן בין סימולציה לניסוי

"תהליך הייצור שלנו הולך בכיוון אחר ביחס למה שאפשרי בננוטכנולוגיה כיום", אמרה ד"ר אנדריאה קופרטינו, שהובילה את מאמצי הניסוי. אורך המיתרים הוא 3 סנטימטרים ועובי 70 ננומטר, אך בקנה מידה זה יהיה המקביל לייצור מיתרי גיטרה מזכוכית התלויים חצי קילומטר כמעט ללא צניחה. "סוג זה של מבנים קיצוניים אפשריים רק בקנה מידה ננו, שבו ההשפעות של כוח המשיכה והמשקל נכנסות אחרת. זה מאפשר מבנים שלא יהיו אפשריים בקנה מידה היומיומי שלנו, אבל הם שימושיים במיוחד במכשירים מיניאטוריים המשמשים למדידת כמויות פיזיקליות כמו לחץ, טמפרטורה, תאוצה ושדות מגנטיים, שאנו מכנים חישת MEMS", מסביר קופרטינו.

הננו-מיתרים מיוצרים באמצעות טכניקות ננו-טכנולוגיה מתקדמות שפותחו ב-TU Delft, מה שדוחף את הגבולות של האופן שבו ניתן ליצור ננו-מבנים תלויים דקים וארוכים. המפתח של שיתוף הפעולה הוא שניתן ליצור את הננו-מבנים האלה בצורה כל כך מושלמת על שבב, עד שיש התאמה יוצאת דופן בין סימולציות לניסויים – כלומר סימולציות יכולות לשמש כנתונים לאלגוריתמים של למידת מכונה, ולא לניסויים יקרים. "הגישה שלנו כללה שימוש באלגוריתמים של למידת מכונה כדי לייעל את העיצוב מבלי לייצר אבות טיפוס ברציפות", ציין המחבר הראשי ד"ר דונג'יל שין, שפיתח את האלגוריתמים הללו עם מיגל בסה. כדי לשפר עוד יותר את היעילות של תכנון המבנים הגדולים והמפורטים הללו, אלגוריתמי למידת המכונה ניצלו בצורה חכמה תובנות מניסויי מחרוזת פשוטים וקצרים יותר כדי לחדד את העיצובים של מחרוזות ארוכות יותר, מה שהפך את תהליך הפיתוח לחסכוני ויעיל כאחד.

לדברי Norte, הצלחת הפרויקט הזה היא עדות לשיתוף הפעולה הפורה בין מומחים בננוטכנולוגיה ולמידת מכונה, המדגישה את האופי הבינתחומי של מחקר מדעי חדשני.

ניווט אינרציאלי ומיקרופונים מהדור הבא

ההשלכות של ננו-מיתרים אלה חורגות מעבר למדע בסיסי. הם מציעים מסלולים חדשים ומבטיחים לשילוב חיישנים רגישים במיוחד עם טכנולוגיית מיקרו-שבבים סטנדרטית, המובילים לגישות חדשות בחישה מבוססת רטט. בעוד שמחקרים ראשוניים אלה מתמקדים במיתרים, ניתן להרחיב את המושגים לעיצובים מורכבים יותר כדי למדוד פרמטרים חשובים אחרים כמו תאוצה לניווט אינרציאלי או משהו שנראה יותר כמו ראש תוף רוטט עבור מיקרופונים מהדור הבא. מחקר זה מדגים את המגוון העצום של האפשרויות כאשר משלבים התקדמות ננוטכנולוגיה עם למידת מכונה כדי לפתוח גבולות חדשים בטכנולוגיה.