Une équipe de chercheurs de l'Université de Floride, dirigée par le Dr Philip Feng, en collaboration avec le professeur Steven Shaw du Florida Institute of Technology, a maintenant démontré une amplification de signal mécanique extrêmement efficace dans des résonateurs mécaniques à l'échelle nanométrique fonctionnant à la radiofréquence. Les dispositifs utilisés dans cette recherche pourraient être les plus petits résonateurs mécaniques présentant une amplification, et le gain obtenu est le plus élevé connu pour tous les dispositifs mécaniques signalés à ce jour.

L'amplification de déplacement est réalisée sur la base d'un "pompage paramétrique ou amplification paramétrique" du mouvement mécanique. L'amplification paramétrique peut être principalement obtenue lorsqu'un paramètre du système est modulé par deux multiples de la fréquence. Un exemple simple d'amplification paramétrique est un enfant jouant de la balançoire. L'enfant peut périodiquement se tenir debout et s'accroupir deux fois dans une seule période de la balançoire pour augmenter ou "amplifier" l'amplitude de la balançoire sans que personne n'aide à pousser.

Les chercheurs ont réalisé l'amplification paramétrique dans les minuscules dispositifs à l'échelle nanométrique. Les amplificateurs paramétriques mécaniques à peau de tambour à l'échelle nanométrique démontrés dans cette recherche consistent en un bisulfure de molybdène semi-conducteur bidimensionnel atomiquement mince (MoS₂ ) membrane où l'épaisseur des peaux est de 0,7, 2,8, 7,7 nanomètres avec 1,8 micromètre de diamètre et 0,0018–0,020 m ³ en volume. Les nanotambours sont fabriqués en transférant des nanofeuilles exfoliées à partir de cristaux massifs sur des microcavités pour créer des nanotambours atomiquement minces en suspension.

Les chercheurs jouent les nanodrums à l'aide d'un laser modulé en amplitude. Lorsque le laser "frappe" doucement les nanotambours, l'énergie lumineuse est convertie en chaleur et le stress thermique peut paramétriquement "jouer" ou "pomper" l'appareil si l'actionnement thermique a deux fois la fréquence de la fréquence de résonance de l'appareil. Ce processus de pompage paramétrique fait vibrer les nanodrums avec une plus grande amplitude, similaire aux instruments à percussion à une échelle beaucoup plus grande. Des chercheurs découvrent les effets photothermiques dans le MoS₂ semi-conducteur les nanotambours sont très efficaces par rapport à d'autres dispositifs hypothétiques à l'échelle nanométrique composés de matériaux semi-conducteurs courants tels que le silicium grâce aux propriétés thermiques, optiques et mécaniques intrigantes du MoS atomiquement mince₂ nanofeuilles.

Les dispositifs à l'échelle nanométrique présentent des gains d'amplification paramétriques géants allant jusqu'à 3600, le gain paramétrique mesuré le plus élevé connu pour tous les résonateurs mécaniques à l'échelle nano/microscopique signalés à ce jour. Le gain paramétrique géant découle de la nature finalement mince de l'appareil. Les dispositifs ont une épaisseur comparable à la taille de l'atome, ce qui conduit à un gain paramétrique extrêmement élevé dans de minuscules dispositifs mécaniques.

L'amplification paramétrique très efficace pourrait être adaptée pour détecter un mouvement mécanique ultrapetit. Dans les dispositifs mécaniques à l'échelle nanométrique, il a été difficile d'avoir une méthode efficace de transduction du signal de déplacement. Il est souvent connecté à des circuits électroniques, mais les signaux de déplacement sont souvent superposés au fond électrique beaucoup plus important et au bruit de l'électronique de lecture. En utilisant l'amplification paramétrique, il est possible d'amplifier d'abord le signal directement dans le domaine mécanique avant la transduction électrique, ce qui nous permet d'atténuer le bruit excessif de l'amplificateur.

L'avantage supplémentaire de l'amplification paramétrique est que l'amplification paramétrique compense la perte d'énergie intrinsèque des résonateurs, ce qui confine les vibrations mécaniques dans une bande passante de fréquence très étroite. Par rapport à la réponse en fréquence avant l'amplification paramétrique, des facteurs de rétrécissement de la largeur de raie ou de la bande passante jusqu'à 180 000 ont été démontrés dans le résonateur à l'échelle nanométrique, améliorant considérablement la capacité de sélection de la fréquence de résonance. Les chercheurs ont expliqué que la largeur de raie étroite est essentielle pour certaines applications, y compris la construction d'une horloge précise, et donc l'amplification paramétrique démontrée dans cette recherche aiderait à construire des dispositifs de synchronisation haute performance.

Les chercheurs croient fermement que ce travail sera d'un grand intérêt et aura un impact significatif dans les domaines des matériaux et dispositifs atomiquement minces émergents, des capteurs et actionneurs nanoélectromécaniques (NEMS), du fonctionnement paramétrique des résonateurs à l'échelle nanométrique et de la nanomécanique. Les chercheurs peuvent également s'attendre à ce que, lorsqu'ils sont mis en œuvre avec une conception soignée et un contrôle technique amélioré, ces petits dispositifs deviendront une approche puissante et peut-être un nouveau paradigme pour réaliser des dispositifs de détection haute performance et d'autres dispositifs de traitement de l'information, à la fois en ingénierie classique et quantique, en métrologie. , et d'autres applications où l'amplification paramétrique jouera un rôle important.

Ce travail est maintenant formellement accepté dans les Applied Physics Reviews . + Explorer plus loin

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