Nanorezonatory do wykrywania masy z dużą czułością
Badacze korzystający z dofinansowania UE dokonali przełomowych odkryć, pracując w ramach projektu MACNEMS ("Mechanical amplification in carbon-based nanoelectromechanical systems"). Zastosowano nanorezonatory wykonane z nanostruktur i nanorurek węglowych oraz arkuszy grafenowych. Takie miniaturowe układy mają niską masę, wykazują względnie duże przemieszczenie pod wpływem małej siły (mają niski współczynnik sprężystości) i/lub mają wysokie częstotliwości rezonansowe. Z tego względu są one intensywnie badane jako potencjalne czujniki do wykrywania bardzo małych mas lub sił. Wyjątkowo mała amplituda drgań rezonatorów wykonanych z nanorurek i grafenu stwarza jednak poważne trudności z wykrywaniem sygnału mechanicznego. Zastosowanie konwencjonalnych metod w celu przetworzenia sygnału mechanicznego na elektryczny i wzmocnienia go spowoduje wzmocnienie szumów wraz z sygnałem. Uczestnicy projektu MACNEMS uzyskali obiecujące wyniki ze wzmocnieniem parametrycznym, co wymagało zwiększenia amplitudy drgań poprzez zmodyfikowanie współczynnika sprężystości, aby przed przetworzeniem na sygnał elektryczny poprawić sygnał mechaniczny bez wzmacniania szumów. Badaczom udało się po raz pierwszy w historii uzyskać wzmocnienie parametryczne z użyciem rezonatorów z nanorurek. Odnotowano przy tym dziesięciokrotne zwiększenie amplitudy mechanicznej. Nieoczekiwanym efektem było występowanie ograniczenia spowodowanego tłumieniem nieliniowym, które zazwyczaj nie występuje w rezonatorach wykonanych z półprzewodników lub metali. Wykorzystując to odkrycie, badacze mogli zastosować bardzo małe siły napędzające w celu osiągnięcia rekordowego współczynnika jakości rzędu 100 000 dla rezonatora grafenowego oraz uzyskania czułości masowej odpowiadającej masie pojedynczego protonu dla rezonatorów mechanicznych wykonanych z nanorurek węglowych. Trwają dalsze doświadczenia, w których już odnotowano wyjątkową czułość na siłę. Uczestnicy projektu MACNEMS dokonali ważnych postępów w dziedzinie mechanicznych technik wzmacniania, dowodząc możliwości wzmacniania parametrycznego i wykrywania masy z rozdzielczością rzędu jednego protonu. Wiedza zdobyta podczas eksperymentów będzie nieoceniona podczas prac nad nowatorskimi systemami nanoelektromechanicznymi i urządzeniami zawierającymi nanorezonatory.
