Революционные наноструны вибрируют дольше, чем любой твердый материал
«Представьте себе качели, которые, если их толкнуть, продолжают раскачиваться почти 100 лет, потому что через веревки они почти не теряют энергии». Так говорит исследователь Делфтского технологического университета Ричард Норте, который помог своей команде совершить аналогичный подвиг в наномасштабе.
Создавая свои супервибрационные наноструны, ученые из Делфтского университета вместе с коллегами из Университета Брауна вытянули нить чрезвычайно упругого нитрида кремния (Si3N4) на длину 3 см, сохраняя при этом толщина всего 70 нанометров. Это «эквивалентно изготовлению керамических струн толщиной в один миллиметр, подвешенных на расстоянии в полкилометра почти без провисания», пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
«Наш производственный процесс идет в другом направлении по сравнению с тем, что возможно сегодня в нанотехнологиях», — говорит соавтор исследования Андреа Купертино.
«Подобные экстремальные структуры возможны только на наномасштабах, где эффекты гравитации и веса действуют по-разному», — добавляет она. «Это позволяет создавать структуры, которые были бы невозможны в наших повседневных масштабах, но которые особенно полезны в миниатюрных устройствах, используемых для измерения физических величин, таких как давление, температура, ускорение и магнитные поля, которые мы называем MEMS-датчиками».
После изготовления нанострун их закрепляли над микрочипом. Затем было показано, что струны способны вибрировать 100 000 раз в секунду, не теряя при этом большой импульс при температуре окружающей среды. Ранее такое демонстрировалось только с материалами, температура которых близка к абсолютному нулю.
«Недавно разработанные наноструны обладают самыми высокими механическими показателями качества, когда-либо зарегистрированными для любого зажимаемого объекта в условиях комнатной температуры; в их случае они закрепляются на микрочипе», — говорится в отчете Делфтского технического университета.
Невероятная вибрационная способность нанострун обусловлена их структурой и составом, что затрудняет утечку энергии, а также затрудняет проникновение шума из окружающей среды.
«Это нововведение имеет решающее значение для изучения макроскопических квантовых явлений при комнатной температуре – в средах, где такие явления ранее были замаскированы шумом», – говорят исследователи.
«Хотя странные законы квантовой механики обычно наблюдаются только в отдельных атомах, способность нанострун изолировать себя от нашего повседневного теплового вибрационного шума позволяет им открыть окно в свои собственные квантовые сигнатуры — струны, состоящие из миллиардов атомов. В повседневной жизни подобные возможности могли бы найти интересное применение для квантового зондирования».
Ученые говорят, что их открытие может привести к созданию микрофонов следующего поколения и других нано-акустических устройств или может быть использовано для создания усовершенствованных акселерометров для навигации. Механические резонаторы с высоким соотношением сторон, как называют нано-провода, также регулярно используются в прецизионном оборудовании, таком как макроскопические волновые детекторы.
В своей статье ученые также заявляют, что нано-струны, обладающие теми же качествами, что и созданные ими, могут помочь в поисках темной материи, изучении энтропии и времени, а также в понимании квантового явления, известного как эффект Казимира.