Des ordinateurs qui tiennent dans nos poches, écrans de télévision pas plus épais qu'une porte, et des voitures à peine plus grosses que leurs passagers, la technologie est de plus en plus petite. Une raison majeure de cette miniaturisation est le développement de résonateurs nanométriques, qui convertissent de faibles niveaux de puissance électrique en oscillations mécaniques à hautes fréquences.

"Les résonateurs nano-électromécaniques sont utilisés dans toutes sortes de technologies modernes. Vous ne les verrez peut-être pas, mais ils peuvent être trouvés dans la robotique, outils médicaux et capteurs environnementaux, " dit le professeur de l'université d'Osaka Hidezaku Tanaka, qui développe de nouvelles nanotechnologies.

Plus tôt cette année, Tanaka et son équipe de recherche ont signalé un nanofil autonome qui pourrait réduire les besoins en énergie des nano-résonateurs d'un facteur cent.

"Les métaux de transition subissent une transition d'isolant à métal. Nous avons fabriqué des nanofils autoportants en dioxyde de vanadium (VO2) qui avaient des performances élevées à faible puissance."

La transition de phase peut se produire en injectant de l'énergie électrique dans les cristaux de VO2. Parce que la réponse mécanique à la puissance n'est pas linéaire, Tanaka a montré que des niveaux de puissance sans précédent pouvaient être utilisés pour générer une réponse mécanique disproportionnée. Tanaka a constaté que le caractère autonome du fil est la clé, sinon, la non-linéarité et donc l'efficacité énergétique étaient bien moindres.

"Construire le nanofil autoportant n'a pas été facile. Les oxydes métalliques sont très rigides et cassants. Nous pourrions fabriquer les nanofils en les faisant croître sur de l'oxyde de magnésium (MgO) puis en gravant la couche de MgO."

Dans sa dernière publication, l'équipe de collaboration par le groupe Tanaka, Le groupe du professeur Daniele Marré en Italie et le groupe du Dr Nicola Manca aux Pays-Bas ont déterminé à quel point la construction de nano-résonateurs à l'aide de ses nanofils autoportants VO2 pouvait être simple. En raison des propriétés électromécaniques des cristaux de VO2 et de sa conception autonome, les nanofils pourraient générer des oscillations mécaniques à des fréquences MHz en utilisant rien de plus qu'une simple source d'alimentation CC. Cette conversion efficace de l'énergie électrique en travail mécanique réduit le besoin d'appareils électroniques dédiés, permettant ainsi la création de systèmes nano-électromécaniques (NEMS) encore plus petits que ceux actuellement utilisés.

Les nanofils dépendent des oscillations spontanées du signal électrique provoquées par les transitions de phase dans le VO2. Ces oscillations électriques font également osciller les nanofils de VO2, mais le couplage électromécanique non linéaire signifie que cette puissance à l'échelle nanométrique peut générer des oscillations de VO2 à des fréquences MHz. L'équipe a montré que l'énergie supplémentaire pour les oscillations du cristal se présente sous la forme de chaleur causée par l'énergie électrique.

« Nous avons configuré notre conception de manière à ce qu'un effet Joule soit localisé dans un espace de VO2 exposé. Nous avons constaté que la source d'énergie pour la réponse mécanique est dominée par les dissipations thermiques et non par la puissance électrique, " dit Tanaka.

La conception d'un NEMS qui exploite efficacement la chaleur générée par les transitions de phase donne un nouveau paradigme pour les technologies économes en énergie.

"Notre système est simple et évolutif. Il ouvre la possibilité de réaliser des NEMS à commutation rapide et alimentés par une source d'alimentation CC."