Cette micrographie électronique à balayage montre un résonateur microélectromécanique. Le résonateur se compose de trois poutres en silicium monocristallin fixées aux deux extrémités. Le centre des faisceaux est connecté à deux entraînements à peigne pour l'actionnement et la transduction de mouvement. La vibration fondamentale du faisceau se situe dans le plan des peignes. Cependant, à des fréquences plus élevées, le résonateur peut se déplacer avec un mouvement de torsion autour des poutres centrales. Lorsque ces deux mouvements vibratoires interagissent, on peut induire un mouvement périodique dont le spectre est constitué d'une multitude de fréquences équidistantes, comprenant un peigne de fréquence. Cette image a été prise à l'aide d'un microscope électronique à balayage FEI Nova 600 Nanolab au Center for Nanoscale Materials. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
C'est une chose pour les humains de perdre la notion du temps, mais que se passe-t-il lorsque nos horloges font dans un monde de plus en plus en réseau, les appareils doivent être plus ponctuels que jamais. Pour les faire fonctionner comme nous l'espérons, ils dépendent d'une armée de minuscules, composants vibrants.
Une découverte d'une équipe dirigée par des scientifiques du Center for Nanoscale Materials (CNM), une installation utilisateur du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au Laboratoire national d'Argonne, pourrait finalement aider à améliorer ces composants dans une gamme d'électronique et même créer des dispositifs qui imitent les processus biologiques. Les chercheurs ont mis au point un dispositif micromécanique qui répond aux signaux externes d'une manière entièrement nouvelle par rapport aux signaux conventionnels. Leur travail, menée par une équipe de cinq institutions dont Argonne, a été récemment publié dans la revue Lettres d'examen physique .
"La nouveauté ici est que si vous excitez ce dispositif résonateur de la bonne manière, la structure vibre avec un spectre composé de plusieurs fréquences régulièrement espacées, malgré le fait qu'il soit piloté par une seule fréquence, " a déclaré Daniel Lopez, chef de groupe pour le groupe Nanofabrication et dispositifs du Center for Nanoscale Materials.
Un résonateur typique dans un appareil électronique répond à un signal avec une fréquence correspondante. Dans les montres-bracelets, par exemple, un résonateur à quartz vibre à une fréquence spécifique lorsqu'une certaine tension est appliquée, et cette vibration marque le temps. Mais un réseau d'appareils multitâches peut nécessiter des réponses à plus d'une fréquence, et c'est là que les choses se compliquent.
"Pour chaque appareil fonctionnant à une fréquence spécifique, vous avez besoin d'une source de synchronisation, " a déclaré Dave Czaplewski, nanoscientifique du CNM, l'auteur principal du journal. "Le fait d'avoir plusieurs appareils fonctionnant à plusieurs fréquences rend le système beaucoup plus complexe."
Alors qu'une approche commune à ce problème implique plusieurs résonateurs, plusieurs signaux ou les deux, les chercheurs ont créé un seul, résonateur microscopique qui peut générer plusieurs fréquences à partir d'un seul signal. Cet ensemble de fréquences est appelé un peigne de fréquence, ainsi nommé pour la façon dont les fréquences apparaissent régulièrement espacées, comme les dents, lorsqu'il est tracé sur un graphique.
"La nouveauté ici est que si vous excitez ce dispositif résonateur de la bonne manière, la structure vibre avec un spectre composé de plusieurs fréquences régulièrement espacées, malgré le fait qu'il soit piloté par une seule fréquence, " a déclaré Daniel Lopez, chef de groupe pour le groupe Nanofabrication et dispositifs du CNM et co-auteur de l'article. "Au lieu de fabriquer un oscillateur spécifique pour chaque appareil, vous pouvez fabriquer un seul oscillateur capable de produire un signal à toutes les différentes fréquences nécessaires."
La recherche a été menée en partie au CNM, où les chercheurs ont conçu le résonateur et utilisé des techniques de caractérisation électrique pour mesurer ses réponses. Le dispositif au silicium, qui n'est pas plus gros que quelques grains de sel mis bout à bout, ancre trois poutres qui se déplacent ensemble en deux vibrations :un mouvement de balancement latéral et un mouvement de torsion. Les chercheurs ont utilisé cette dualité pour générer le peigne de fréquence.
"Nous utilisons l'interaction entre ces deux vibrations pour obtenir cette réponse en fréquence qui finit par ressembler à un peigne de fréquence, " a déclaré Czaplewski.
Les peignes de fréquence sont plus couramment utilisés dans le domaine de l'optique, où ils consistent en des impulsions de lumière laser et peuvent être utilisés pour mesurer le temps avec précision. Dans une autre application, ce peigne de fréquence mécanique, les chercheurs ont dit, peut être utilisé pour étudier un type particulier de dynamique connue sous le nom de bifurcation SNIC (nœud de selle sur un cercle invariant) en mécanique, systèmes optiques et biologiques. En milieu biologique, par exemple, comprendre ce comportement pourrait aider à la conception d'éléments micromécaniques qui émulent la façon dont les neurones répondent aux stimuli. Les mathématiques décrivant les vibrations dans ce résonateur ont été réalisées en collaboration avec une équipe d'experts dans le domaine de la dynamique non linéaire dans plusieurs universités.
La prochaine étape de la recherche, Lopez a dit, sera de reproduire le phénomène de peigne de fréquence dans les résonateurs à plus haute fréquence et d'étendre le nombre de "dents" - ou fréquences - pouvant être générées.
