La dissipation d'énergie est un ingrédient clé pour comprendre de nombreux phénomènes physiques en thermodynamique, photonique, réactions chimiques, fission nucléaire, émissions de photons, ou encore des circuits électroniques, entre autres.

Dans un système vibrant, la dissipation d'énergie est quantifiée par le facteur de qualité. Si le facteur de qualité du résonateur est élevé, l'énergie mécanique se dissipera à une vitesse très faible, et donc le résonateur sera extrêmement précis pour mesurer ou détecter des objets, permettant ainsi à ces systèmes de devenir des capteurs de masse et de force très sensibles, ainsi que des systèmes quantiques passionnants.

Prendre, par exemple, une corde de guitare et la faire vibrer. La vibration créée dans la corde résonne dans le corps de la guitare. Parce que les vibrations du corps sont fortement couplées à l'air ambiant, l'énergie de la vibration de la corde se dissipera plus efficacement dans le bain environnemental, augmenter le volume du son. La décroissance est bien connue pour être linéaire, car il ne dépend pas de l'amplitude vibratoire.

Maintenant, prenez la corde de guitare et réduisez-la à des dimensions nanométriques pour obtenir un résonateur nano-mécanique. Dans ces nanosystèmes, il a été observé que la dissipation d'énergie dépend de l'amplitude de la vibration, décrit comme un phénomène non linéaire, et jusqu'à présent, aucune théorie proposée n'a été prouvée pour décrire correctement ce processus de dissipation.

Dans une étude récente, Publié dans Nature Nanotechnologie , Les chercheurs de l'ICFO Johannes Güttinger, Adrien Noury, Pierre Weber, Camille Lagoin, Joël Moser, dirigé par le professeur à ICFO Adrian Bachtold, en collaboration avec des chercheurs de la Chalmers University of Technology et de l'ETH Zurich, ont trouvé une explication du processus de dissipation non linéaire en utilisant un résonateur nano-mécanique à base de graphène multicouche.

Dans leur travail, l'équipe de chercheurs a utilisé un résonateur nanomécanique à base de graphène, bien adapté à l'observation des effets non linéaires dans les processus de décroissance de l'énergie, et l'a mesuré avec une cavité micro-onde supraconductrice. Un tel système est capable de détecter les vibrations mécaniques dans un laps de temps très court tout en étant suffisamment sensible pour détecter des déplacements minimaux et sur une très large gamme d'amplitudes vibratoires.

L'équipe a pris le système, l'a forcé hors d'équilibre à l'aide d'une force motrice, et a ensuite coupé la force pour mesurer l'amplitude vibratoire à mesure que l'énergie du système diminuait. Ils ont effectué plus de 1000 mesures pour chaque trace de décroissance d'énergie et ont pu observer que lorsque l'énergie d'un mode vibrationnel se désintègre, le taux de décroissance atteint un point où il passe brusquement à une valeur inférieure. La plus grande décroissance d'énergie aux vibrations de haute amplitude peut être expliquée par un modèle où le mode de vibration mesuré "s'hybride" avec un autre mode du système et ils se désintègrent à l'unisson. Cela équivaut au couplage de la corde de guitare au corps bien que le couplage soit non linéaire dans le cas du nano résonateur en graphène. Lorsque l'amplitude vibratoire diminue, le rythme change brutalement et les modes se découplent, résultant en des taux de décomposition relativement faibles, ainsi dans des facteurs de qualité très géants dépassant 1 million. Ce changement brutal de la décroissance n'a jamais été prédit ou mesuré jusqu'à présent.

Par conséquent, les résultats obtenus dans cette étude ont montré que les effets non linéaires dans les résonateurs nano-mécaniques en graphène révèlent un effet d'hybridation à hautes énergies qui, si contrôlé, pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour manipuler les états vibrationnels, concevoir des états hybrides avec des modes mécaniques à des fréquences complètement différentes, et d'étudier le mouvement collectif de systèmes hautement accordables.