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Des nano-résonateurs pour une détection de masse hautement sensible

La détection d'une masse équivalente à celle d'un seul proton est désormais possible pour la première fois. Pour cela, des scientifiques européens ont utilisé des résonateurs mécaniques extraordinairement légers constitués de simples nanotubes de carbone.
Des nano-résonateurs pour une détection de masse hautement sensible
Des chercheurs soutenus par l'UE ont réalisé des avancées décisives dans le contexte du projet MACNEMS («Mechanical amplification in carbon-based nanoelectromechanical systems»). Ils ont exploité des nano-résonateurs composés de nanostructures à base de carbone, de nanotubes et de feuilles de graphène.

Ces systèmes miniatures ont des masses faibles, présentent des déplacements relativement importants avec de petites forces (faibles constantes de rappel) et/ou ont des fréquences de résonance élevées. Ainsi, ils ont suscité un grand intérêt comme capteurs pour des masses ou des forces extrêmement faibles.

En revanche, un problème inhérent à la détection du signal mécanique est la très petite amplitude d'oscillation des résonateurs composés de nanotubes et de graphène. Si le signal mécanique est transduit en signal électrique puis amplifié avec des méthodes traditionnelles, le bruit est également amplifié avec le signal.

Les chercheurs du projet MACNEMS ont obtenu des résultats très intéressants en appliquant la méthode de l'amplification paramétrique (AP), dans laquelle l'amplitude d'oscillation est augmentée par modification de la constante de rappel pour accentuer le signal mécanique (sans amplifier le bruit) avant conversion en courant électrique.

Les chercheurs ont réalisé la première démonstration à ce jour d'AP avec des résonateurs à nanotube, notamment une augmentation d'un facteur 10 de l'amplitude mécanique. De manière surprenante, elle était limitée par un amortissement non-linéaire que l'on ne retrouve pas généralement dans les nano-résonateurs constitués de semi-conducteurs ou de métaux. À partir de ces conclusions, les partenaires ont utilisé de très petites poussées pour enregistrer des facteurs de qualité record de 100000 avec un résonateur de graphène et ils ont pu atteindre une sensibilité de masse correspondant à la masse d'un proton avec des résonateurs mécaniques constitués de nanotubes de carbone.

Des expériences supplémentaires sont en cours, présentant déjà une sensibilité exceptionnelle à la force. Les chercheurs du projet MACNEMS ont réalisé des progrès importants dans l'utilisation des techniques d'amplification mécanique, avec une AP et une détection de masse avec une résolution à l'échelle du simple proton. Les informations obtenues grâce aux expériences seront très importantes pour le développement de nouveaux systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) et de dispositifs utilisant des nano-résonateurs.

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