Investigadores de la Universidad de Viena (Austria) y de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania) han publicado en la revista Nature Comunications una serie de resultados que aclaran un problema clásico del diseño de los resonadores micro y nanoelectromecánicos.
Hoy en día los resonadores micro y nanoelectromecánicos se utilizan de forma similar a los primeros detectores de fuerzas, pero con una fuerza mucho mayor que los sitúa en el ámbito de los zeptonewtons (10-21 N). Entre la miríada de aplicaciones que permiten estos dispositivos está la medición de fuerzas que se generan entre moléculas y que surgen de la resonancia magnética de los electrones.
Estos dispositivos mecánicos extremadamente pequeños tienen un gran futuro por delante, si bien algunas de las aplicaciones más interesantes siguen restringidas al ámbito de la investigación fundamental. Aunque este tipo de sensores está sometido a las leyes de la física clásica, en el laboratorio se puede detectar con claridad la influencia de los fenómenos cuánticos.
Ahora cabe incluso la posibilidad de considerar fluctuaciones cuánticas intrínsecas que pertenecen al propio dispositivo mecánico, una circunstancia aún más interesante si cabe. Para saber qué condiciones son las necesarias para observar estos fenómenos y qué se puede aprender a partir de su observación se puso en marcha este estudio, que investigó la minimización de la disipación de la energía.
Por ejemplo, cuando se golpean las cuerdas de un instrumento musical, como una guitarra, las vibraciones consiguientes generan ondas acústicas que en el oído se interpretan como sonido. La pureza del tono emitido está relacionada de forma muy estrecha con el decaimiento de la amplitud de vibración, o lo que es lo mismo, la pérdida de energía mecánica del sistema o factor Q.
Cuanto mayor sea la calidad del factor Q, más puro será el tono y durante más tiempo vibrará el sistema antes de desaparecer el sonido. Hasta ahora la complicación de realizar predicciones numéricas del Q posible suponía todo un reto incluso en geometrías relativamente sencillas.
Para dar con una solución a este problema, el equipo de investigación desarrolló un solucionador numérico basado en elementos finitos capaz de predecir la amortiguación que impone el diseño de resonadores mecánicos prácticamente arbitrarios.
«Calculamos el modo en el que las excitaciones mecánicas elementales, o fonones, irradian desde el resonador mecánico hasta los apoyos del dispositivo», indicó Garrett Cole, investigador sénior del Grupo Aspelmeyer de la Universidad de Viena.
La idea procede de un trabajo anterior realizado por el físico Ignacio Wilson-Rae de la Universidad Técnica de Múnich. En colaboración con el grupo de Viena, el equipo generó una solución numérica para computar esta radiación de manera sencilla y factible en cualquier ordenador personal.
La potencia de predicción del solucionador numérico del factor Q elimina la incertidumbre que había hasta ahora (que obligaba a crear prototipos y probarlos por ensayo y error) en el diseño de las estructuras mecánicas resonantes. Los investigadores indican que su funcionamiento no depende de la escala de los dispositivos y que se puede utilizar en sistemas desde nanométricos hasta macroscópicos.
El estudio ha sido financiado por los siguientes proyectos europeos: MINOS («Sistemas micro y nanooptomecánicos para TIC y QPIC»); QESSENCE («Interfaces, sensores y comunicación cuánticos basados en el entrelazamiento»); IQOS («Sistemas optomecánicos cuánticos integrados»); y QOM («Optomecánica cuántica: fundamentos cuánticos e información cuántica a escalas micro y nanométrica»).
Tanto MINOS como QESSENCE están financiados mediante el tema «Tecnologías de la información y las comunicaciones» del Séptimo Programa Marco (7PM) con 2,27 millones de euros y 4,7 millones de euros respectivamente. IQOS recibió una beca Marie Curie para beneficiarios de terceros países por valor de 171.412 euros mediante el 7PM y QOM una subvención para investigadores principiantes del Consejo Europeo de Investigación por valor de 1,67 millones de euros.
Hoy en día los resonadores micro y nanoelectromecánicos se utilizan de forma similar a los primeros detectores de fuerzas, pero con una fuerza mucho mayor que los sitúa en el ámbito de los zeptonewtons (10-21 N). Entre la miríada de aplicaciones que permiten estos dispositivos está la medición de fuerzas que se generan entre moléculas y que surgen de la resonancia magnética de los electrones.
Estos dispositivos mecánicos extremadamente pequeños tienen un gran futuro por delante, si bien algunas de las aplicaciones más interesantes siguen restringidas al ámbito de la investigación fundamental. Aunque este tipo de sensores está sometido a las leyes de la física clásica, en el laboratorio se puede detectar con claridad la influencia de los fenómenos cuánticos.
Ahora cabe incluso la posibilidad de considerar fluctuaciones cuánticas intrínsecas que pertenecen al propio dispositivo mecánico, una circunstancia aún más interesante si cabe. Para saber qué condiciones son las necesarias para observar estos fenómenos y qué se puede aprender a partir de su observación se puso en marcha este estudio, que investigó la minimización de la disipación de la energía.
Por ejemplo, cuando se golpean las cuerdas de un instrumento musical, como una guitarra, las vibraciones consiguientes generan ondas acústicas que en el oído se interpretan como sonido. La pureza del tono emitido está relacionada de forma muy estrecha con el decaimiento de la amplitud de vibración, o lo que es lo mismo, la pérdida de energía mecánica del sistema o factor Q.
Cuanto mayor sea la calidad del factor Q, más puro será el tono y durante más tiempo vibrará el sistema antes de desaparecer el sonido. Hasta ahora la complicación de realizar predicciones numéricas del Q posible suponía todo un reto incluso en geometrías relativamente sencillas.
Para dar con una solución a este problema, el equipo de investigación desarrolló un solucionador numérico basado en elementos finitos capaz de predecir la amortiguación que impone el diseño de resonadores mecánicos prácticamente arbitrarios.
«Calculamos el modo en el que las excitaciones mecánicas elementales, o fonones, irradian desde el resonador mecánico hasta los apoyos del dispositivo», indicó Garrett Cole, investigador sénior del Grupo Aspelmeyer de la Universidad de Viena.
La idea procede de un trabajo anterior realizado por el físico Ignacio Wilson-Rae de la Universidad Técnica de Múnich. En colaboración con el grupo de Viena, el equipo generó una solución numérica para computar esta radiación de manera sencilla y factible en cualquier ordenador personal.
La potencia de predicción del solucionador numérico del factor Q elimina la incertidumbre que había hasta ahora (que obligaba a crear prototipos y probarlos por ensayo y error) en el diseño de las estructuras mecánicas resonantes. Los investigadores indican que su funcionamiento no depende de la escala de los dispositivos y que se puede utilizar en sistemas desde nanométricos hasta macroscópicos.
El estudio ha sido financiado por los siguientes proyectos europeos: MINOS («Sistemas micro y nanooptomecánicos para TIC y QPIC»); QESSENCE («Interfaces, sensores y comunicación cuánticos basados en el entrelazamiento»); IQOS («Sistemas optomecánicos cuánticos integrados»); y QOM («Optomecánica cuántica: fundamentos cuánticos e información cuántica a escalas micro y nanométrica»).
Tanto MINOS como QESSENCE están financiados mediante el tema «Tecnologías de la información y las comunicaciones» del Séptimo Programa Marco (7PM) con 2,27 millones de euros y 4,7 millones de euros respectivamente. IQOS recibió una beca Marie Curie para beneficiarios de terceros países por valor de 171.412 euros mediante el 7PM y QOM una subvención para investigadores principiantes del Consejo Europeo de Investigación por valor de 1,67 millones de euros.
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