En haut :Trois modes vibrationnels excitables dans des tambours circulaires. Dans le graphène, ces modes sont couplés entre eux et peuvent échanger de l'énergie. En bas :représentation d'un artiste d'un tambour en graphène. Le graphène vibre au-dessus d'une tranchée circulaire sur une puce de silicium. Des électrodes métalliques en forme de T entrent en contact avec la surface inférieure du graphène, tandis que les électrodes centrales appliquent des forces électriques par le bas pour entraîner le mouvement. Crédit :Roberto De Alba
Un enseignant, un chercheur postdoctoral et un étudiant diplômé sautent sur un trampoline.
Non, ce n'est pas la première ligne d'une blague. C'est une configuration pour l'explication de la nouvelle recherche menée par Cornell impliquant le graphène, un matériau merveilleux. Un groupe dirigé par Roberto De Alba, étudiant diplômé en physique, et Jeevak Parpia, professeur et directeur du département de physique, a publié un article dans Nature Nanotechnologie concernant encore une autre application pour le polyvalent, super fort, matériau ultra-léger.
Leur papier, "Couplage phonon-cavité accordable dans les membranes de graphène, " a été publié le 13 juin et décrit la capacité d'utiliser la tension du graphène comme une sorte de médiateur entre les modes vibrationnels, permettant un transfert direct d'énergie d'une fréquence à une autre. De Alba était l'auteur principal.
Maintenant, retour au trampoline. Constatons que le professeur saute lentement, le postdoc à un rythme moyen et l'étudiant diplômé à un rythme rapide. Ils représentent les modes naturels du trampoline, qui représente le graphène.
Si le professeur commence son saut lent en premier, suivi par l'étudiant diplômé à un rythme beaucoup plus rapide, le post-doctorant – en raison du saut qui est déjà en cours – est obligé de sauter, à son rythme. Quoi de plus, les sauts du professeur deviennent beaucoup plus élevés qu'ils ne l'étaient initialement, car l'énergie lui est transférée par les sauteurs les plus rapides. Ce scénario ne se déroulera pas réellement dans votre jardin, mais il se produit dans le graphène en raison de son "module élastique" élevé - une propriété matérielle qui signifie que toute vibration provoquera de grands changements dans la tension de la membrane.
En appliquant ce concept, le groupe a fabriqué des "tambours" de graphène avec des diamètres allant de 5 à 20 micromètres (1 million de micromètres =1 mètre). Ces tambours peuvent être mis en mouvement soit par un champ électrique alternatif, soit par les vibrations thermiques aléatoires de leurs atomes constitutifs (les mêmes vibrations atomiques qui définissent la température d'un objet); le mouvement est détecté par interférométrie laser, une méthode mise au point il y a plusieurs années chez Cornell dans le groupe d'Harold Craighead. Craighead est le professeur d'ingénierie Charles W. Lake Jr. et un collaborateur de ce travail.
La tension externe appliquée à la membrane de graphène agit comme une sorte de « cheville de réglage » pour contrôler la tension de la membrane et concevoir le couplage nécessaire pour contrôler un mode d'oscillation en excitant l'autre.
"Nous avons montré qu'il existe un effet qui va convertir l'énergie d'un mode mécanique à un autre mode mécanique, " a déclaré De Alba. "Cela nous permet d'atténuer ou d'amplifier les vibrations d'un mode en activant l'autre mode."
"Vous êtes capable de changer la fréquence fondamentale du mouvement de cet objet… essentiellement son mouvement thermique, en appliquant simplement une tension, " dit Parpia.
Le terme "cavité phonon" a été choisi, De Alba a dit, parce que l'effet mécanique est similaire à celui d'une cavité optique, qui peut être utilisé pour convertir l'énergie de la lumière laser en mouvement mécanique. Les phonons sont des quasi-particules utilisées pour décrire les vibrations de la même manière que les photons sont des particules de lumière.
Cette découverte ouvre la voie à l'application des résonateurs mécaniques au graphène dans les applications de télécommunications - par exemple, comme mélangeurs de fréquence.
"Et parce que le graphène n'a qu'un seul atome d'épaisseur, il a une masse si faible qu'il fait un très bon capteur de force, capteur de gaz ou capteur de pression, " a déclaré De Alba. "Il pourrait être utilisé dans les laboratoires de recherche pour étudier les forces ultra-faibles."
En outre, lorsqu'il est refroidi à près du zéro absolu, ces résonateurs peuvent jouer un rôle clé dans la détection des signaux quantiques les plus faibles et dans l'identification et le développement de nouveaux, technologies de télécommunication sécurisées.
