蛛網(wǎng)納米機械諧振器超10億機械品質因數(shù) 降低建造量子設備成本

受自然界蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)，荷蘭代爾夫特理工大學研究人員將納米技術和機器學習相結合，成功設計出一種可在室溫下工作的、極為精確的微芯片傳感器——“蛛網(wǎng)納米機械諧振器”。該設備屬于迄今世界上最精確的傳感器之一，能在與日常噪聲極端隔離的情況下振動，表現(xiàn)出超過10億的機械品質因數(shù)，是量子技術和傳感技術結合的典范。這一突破性成果發(fā)表在《先進材料》雜志上，對引力和暗物質研究以及量子互聯(lián)網(wǎng)、導航和傳感領域都有重大意義。

當溫度在絕對零度(約-273.15℃)以上時，由于電荷載流子的熱運動，所有電阻都具有噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲。而研究微小物體振動(如傳感器或量子硬件中使用的振動物體)的最大挑戰(zhàn)之一是，如何防止環(huán)境熱噪聲與其脆弱狀態(tài)相互作用。例如，量子硬件通常保持在接近絕對零度的溫度下，但使用這種設備的冰箱每臺價格高達50萬歐元。

此次發(fā)明的網(wǎng)狀微芯片傳感器在室溫中與噪音隔絕的情況下，共振效果極好。而且，這一發(fā)明將使建造量子設備的成本大大降低。

該研究的領導者之一理查德·諾特表示，蜘蛛網(wǎng)是很好的振動探測器，因為蜘蛛通過感知網(wǎng)內的振動來捕獵，而非風這樣的外部因素。“何不搭乘數(shù)百萬年進化之旅的便車，用蜘蛛網(wǎng)作為超靈敏設備的初始模型呢?”

研究人員利用貝葉斯優(yōu)化算法研究復雜的蜘蛛網(wǎng)，并建立了計算機模型。令人驚訝的是，該算法從150種不同的蜘蛛網(wǎng)設計中提煉出一個相對簡單的模型。

計算機模型顯示，該設備可在室溫下工作，且原子劇烈振動。通過機器學習和優(yōu)化，研究人員成功地設計出了在室溫環(huán)境下具有超低能量耗散的蛛網(wǎng)納米機械諧振器。

在這種新設計的基礎上，研究論文第一作者安德里亞·庫比蒂諾用超薄、納米厚的氮化硅陶瓷材料薄膜建造了一個微芯片傳感器。研究人員使微芯片“網(wǎng)”強力振動，并測量振動停止所需的時間來測試該模型，結果打破了室溫下與環(huán)境熱噪聲隔離后的振動效果紀錄。這一微芯片網(wǎng)外幾乎沒有能量損失，振動都在內部呈圓圈運動，且不接觸外部。

“這有點像推了一下秋千，然后秋千就能不停地擺動將近一個世紀。”諾特說。(科技日報實習記者 張佳欣)