Vous ne pouvez pas entendre la plupart d'entre eux, mais le monde fonctionne sur différents types d'oscillations mécaniques. Par exemple, à l'intérieur d'une montre-bracelet électronique moyenne se trouve une boîte scellée contenant un résonateur à cristal de quartz de 3 mm de long. En réponse à la rétroaction électrique, le cristal vibre continuellement d'environ 33, 000 fois par seconde. La stabilité remarquable de cette fréquence de résonance, qui fournit le taux de "tick" de l'horloge, vous permet de rester à l'heure.

"Mais dans la précipitation d'aujourd'hui pour faire plus petit, appareils plus légers, l'espace sur le circuit imprimé est très précieux, et les cristaux de quartz sont gros, cher, et fragile, " dit Jason Gorman du laboratoire de mesure physique du NIST. " Alors, au cours des 10 dernières années, il y a eu une poussée pour fabriquer des horloges à micro-échelle, en mettant l'accent sur les résonateurs en silicium. L'objectif est de développer des horloges à micro-échelle qui surpassent les horloges à quartz en termes de performances tout en étant 1/100e de la taille et en utilisant une fraction de la puissance."

Dans la poursuite de cet objectif, Gorman et son collègue Vikrant Gokhale - en utilisant des structures fabriquées sur mesure ne dépassant pas un cinquième de la largeur d'un cheveu humain - ont conçu et testé une nouvelle méthode qui améliore considérablement les performances du résonateur en silicium, et peut également bénéficier à de nombreux types de capteurs différents. Les scientifiques ont récemment publié leurs résultats dans Lettres de physique appliquée .

Les horloges nécessitent un mécanisme qui oscille (clique) à presque exactement la même vitesse et la même force au fil du temps, qu'il s'agisse d'un pendule oscillant ou d'atomes absorbant et libérant des photons. La capacité d'un résonateur à le faire avec précision est directement liée à son facteur de qualité (Q). Un résonateur à Q élevé est un résonateur qui reste proche d'une fréquence unique et dégage très peu d'énergie dans son environnement; son signal reste fort et stable dans le temps.

Dans les dispositifs micrométriques - fabriqués à des dimensions mesurées en micromètres - un facteur clé pour le Q réalisable est la quantité d'énergie vibratoire absorbée par les minuscules contreforts ou "attaches" qui suspendent le résonateur au substrat de support. Les attaches sont conçues pour refléter autant d'énergie vibratoire que possible vers le résonateur, minimiser la dissipation. La configuration standard pour une attache est juste un faisceau droit de silicium solide.

Récemment, d'autres chercheurs ont utilisé des attaches avec une structure plus complexe basée sur la répétition de la géométrie. En fonction de l'optimisation de cette géométrie, ces attaches ne peuvent laisser passer que certaines fréquences de vibrations quantifiées appelées phonons tout en réfléchissant les autres. (C'est ce qu'on appelle une bande interdite acoustique.) Ainsi, une attache idéale à "cristaux phononiques" (PnC) refléterait la fréquence de résonance du résonateur, tout en transmettant les autres. "Puisque plus d'énergie vibratoire est confinée dans le résonateur en raison des réflexions du cristal phononique, le facteur de qualité devrait s'améliorer par rapport aux longes à faisceau droit, " dit Gokhale.

Les premières expériences avec des PnC dans différentes configurations d'attache par d'autres ont montré que le facteur de qualité pouvait être amélioré jusqu'à un facteur trois. Cependant, d'autres mécanismes de dissipation d'énergie, telles que les contraintes aux interfaces entre plusieurs matériaux et la dissipation thermoélastique dans les électrodes métalliques, dominé le facteur de qualité dans les résonateurs piézoélectriques utilisés dans ces tests.

"Nous avons décidé d'aller plus loin, " dit Gorman. " Nous savions qu'en développant un résonateur fait d'un seul matériau, silicium dans ce cas, nous pourrions nous débarrasser de la plupart des autres mécanismes de dissipation qui limitent le facteur de qualité. » Cela a réduit la dissipation à quelques effets inévitables et faibles par rapport à la dissipation d'énergie résultant généralement des attaches.

En utilisant les capacités de nanofabrication du Center for Nanoscale Science and Technology du NIST, ils ont fait des réseaux d'attaches en rangées contenant un, Trois, ou cinq cellules PnC ", " et a déterminé que des nombres plus importants augmentaient la réflectance, et ainsi amélioré le Q. Les résultats ont non seulement dépassé de loin les performances des barres d'attache conventionnelles, mais s'est approché de la limite fondamentale de dissipation intrinsèque pour le matériau, atteindre un Q plus élevé que jamais enregistré pour le silicium à une fréquence de résonance supérieure à 100 MHz.

En plus des horloges micromécaniques, ces travaux peuvent avoir des répercussions sur un certain nombre d'approches de capteurs à base de résonateurs. "Les capteurs résonants sont couramment utilisés pour des mesures sensibles d'accélération, rotation, Obliger, et des changements de masse, et la sensibilité est proportionnelle au Q atteignable, " dit Gorman.

Par exemple, les capteurs chimiques résonants reposent sur le fait que la fréquence centrale d'un résonateur dépend de sa masse. Si une molécule quelconque - comme un polluant - heurte le résonateur et s'y colle, il change la fréquence de résonance. La quantité de changement dépend de la masse de la molécule, permettant aux utilisateurs de déterminer les espèces chimiques. "Un Q élevé est important dans les capteurs car il améliore la sensibilité aux changements de fréquence de résonance lorsqu'un stimulus est appliqué au résonateur, " dit Gokhale. De nouvelles technologies de capteurs basées sur le résonateur avec des attaches à cristaux phononiques sont actuellement à l'étude.