Risonatori nanomeccanici: come il calcolo quantistico può trarre vantaggio da questi dispositivi piezoelettrici

Sensori miniaturizzati

Man mano che la nostra tecnologia diventa sempre più precisa, richiede anche dispositivi sempre più piccoli. Ciò è ben noto per la tecnologia dei semiconduttori come i chip, con La litografia a 2 nm (nanometro) è ora testata dai leader del settore come TSMC.

Fonte: TSMC

Ciò vale anche per le parti meccaniche, dove la reazione non è principalmente elettrica, come nei semiconduttori. Un elemento chiave sono i risonatori meccanici su scala nanometrica. Le dimensioni molto ridotte di questi dispositivi li rendono molto utili per misurare singole particelle.

Finora, solo un set limitato di materiali non conduttivi è stato utilizzato per produrre risonatori meccanici. Ciò è cambiato grazie al lavoro dei ricercatori della Chalmers University of Technology (Svezia) e dell'Università di Magdeburgo (Germania).

Questo gruppo di ricercatori ha creato un risonatore meccanico da un nuovo materiale, che ha entrambi eccellenti proprietà di risonanza ed è anche piezoelettrico. Questi risultati sono stati pubblicati in Advanced Materials, con il titolo “Risonatori nanomeccanici cristallini AlN con fattori di alta qualità per l'optoelettromeccanica quantistica¹".

Risonatori nanomeccanici

I risonatori sono componenti come i diapason che sono in grado di vibrare a frequenze specifiche. Nel caso del diapason, oscilla alla sua frequenza di risonanza, producendo un'onda sonora all'interno del nostro intervallo uditivo.

Oggi i risonatori sono stati ridotti alla scala micrometrica e nanometrica. Questi minuscoli risonatori lavorano a frequenze molto più elevate di quelli grandi e sono estremamente sensibili. Ciò li rende ottimi sensori per misurazioni su scala microscopica.

Ad esempio, un tale nanorisonatore può essere utilizzato per misurare gli spin di singoli protoni o la gravità tra piccole masse.

Rendere i risonatori più utili

Finora, la maggior parte dei migliori risonatori nanomeccanici sono realizzati in nitruro di silicio sottoposto a trazione. Si tratta di un materiale con eccezionali qualità meccaniche, che lo rendono un ottimo risonatore. Il problema è che il nitruro di silicio non è magnetico, né piezoelettrico, e non conduce elettricità.

Questo è un problema per convertire la risonanza meccanica in un segnale elettrico, o per controllarlo direttamente. Quindi, nel complesso, questi risonatori in nitruro di silicio possono interagire con altri sistemi solo quando un altro materiale viene aggiunto sopra il nitruro di silicio.

Il problema è che tale aggiunta danneggia direttamente le prestazioni del risonatore.

Invece, i ricercatori sono riusciti a creare un risonatore nanomeccanico fatto di nitruro di alluminio sottoposto a trazione. Questo materiale è piezoelettrico, ma mostra anche eccellenti proprietà come risonatore, misurate da una caratteristica chiamata "fattore di qualità meccanica" (Qm).

"Il risonatore in nitruro di alluminio ha raggiunto un fattore di qualità di oltre 10 milioni. Ciò suggerisce che il nitruro di alluminio sottoposto a sollecitazione di trazione potrebbe essere una potente nuova piattaforma di materiali per sensori quantistici o trasduttori quantistici.

Witlef Wieczorek – Professore di fisica presso il Dipartimento di microtecnologia e nanoscienza della Chalmers University of Technology.

I materiali piezoelettrici sono un tipo di materiale che converte naturalmente il movimento meccanico in segnali elettrici e viceversa.

Questa carica elettrica è prodotta da un'asimmetria forzata: nei materiali piezoelettrici, le cariche positive e negative sono separate l'una dall'altra, pur rimanendo allineate in uno schema simmetrico. Quando viene applicato uno stress meccanico alla sostanza, questa simmetria viene persa, con conseguente produzione di una carica elettrica.

Quindi, contrariamente alle versioni precedenti di risonatori, un risonatore in nitruro di alluminio può essere interfacciato direttamente con altri sistemi in nanoscala. E potrebbe essere utilizzato per la lettura diretta nei sensori.

Come è stato fatto

Per sviluppare questo nuovo tipo di risonatore, i ricercatori hanno creato un film sottile di nitruro di alluminio altamente sollecitato (teso) spesso 295 nm, facendolo crescere su un substrato di silicio. La tensione era "circa 1 GPa, l'equivalente di due elefanti in equilibrio su un'unghia".

Fonte: Materiale avanzato

Hanno utilizzato un nuovo tipo di risonatore, denominato trianguline, che assomiglia a un frattale costituito da un cuscinetto centrale a forma di triangolo.

Fonte: Materiale avanzato

La triangolazione potrebbe essere particolarmente utile in quanto può mantenere una singola oscillazione quantistica coerente a temperatura ambiente. Ciò renderebbe molto più facile il suo impiego nella tecnologia quantistica.

Il prossimo passo

Trattandosi di un prototipo unico nel suo genere, è probabile che il risonatore in nitruro di alluminio qui presentato possa essere ulteriormente migliorato.

La prima parte sarà quella di realizzarlo con un fattore di qualità ancora più elevato, rendendolo più sensibile e utile. Il passo successivo sarà sperimentare e trovare il modo di adattare in modo affidabile il design in modo che possa usare la piezoelettricità per applicazioni di rilevamento quantistico.

Applicazioni

L'applicazione più ovvia sarebbe nel calcolo quantistico. La maggior parte dei computer quantistici funziona avendo bit quantistici (qubit) proprietà misurate.

I qubit possono esistere in più stati simultaneamente grazie a due proprietà quantistiche: sovrapposizione and aggrovigliamento.

• sovrapposizione consente ai qubit di rappresentare contemporaneamente sia 0 che 1, aumentando esponenzialmente i dati elaborabili rispetto ai bit classici.
• aggrovigliamento collega i qubit in modo tale che lo stato di un qubit possa influenzare istantaneamente un altro qubit, anche a grandi distanze.

Queste proprietà consentono alle QPU di risolvere problemi altamente complessi molto più rapidamente dei computer classici, esplorando più soluzioni simultaneamente.

Tuttavia, i qubit sono estremamente fragili e misurarne le proprietà non è un compito facile. Un risonatore a temperatura ambiente che sia anche piezoelettrico potrebbe cambiare le carte in tavola, sia in termini di prestazioni che di costi.

Ciò potrebbe rendere i risonatori in nitruro di alluminio una parte fondamentale nello sviluppo di unità di elaborazione quantistica in grado di sostituire la nostra attuale CPU, un argomento che abbiamo discusso più in dettaglio in “Unità di elaborazione quantistica (QPU): il futuro dell'informatica” e in “Lo stato attuale dell'informatica quantistica".

Altre applicazioni potrebbero derivare dall'estrema precisione dei risonatori, in applicazioni di nicchia in cui sono richiesti basso rumore e lungo tempo di coerenza, come sospensioni a specchio, dispositivi optomeccanici a cavità quantistica o sensori nanomeccanici, tutti utili per nanodispositivi come LED, elaborazione fotonica, ecc.

Questo è un altro esempio di quanto importanti potrebbero essere i materiali piezoelettrici nelle tecnologie future. Puoi saperne di più su questo argomento leggendo alcuni dei nostri articoli che trattano questi materiali:

• Materiali piezoelettrici: la fonte di energia sconosciuta più comune
• La svolta nel nitruro di carbonio apre le porte a importanti progressi nella scienza dei materiali
• I progressi nei compositi piezoelettrici consentono lo sfruttamento e l'interpretazione dell'energia cinetica
• Circuiti stampati restringenti con convertitori di potenza piezoelettrici

Investire nella nanotecnologia

La nanotecnologia sta diventando un segmento in crescita che va oltre la produzione di semiconduttori, con la promessa di materiali straordinari per l'industria aerospaziale, biotecnologica, energetica e chimica.

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Se non sei interessato a scegliere aziende nanotecnologiche specifiche, puoi anche esaminare gli ETF sulla nanotecnologia come ETF ProShares Nanotecnologia (TINY) o il ETF Direxion Nanotechnology (TYNE) che fornirà un'esposizione più diversificata per capitalizzare sui titoli del settore dell'informatica quantistica e della nanotecnologia.

Oppure puoi consultare il nostro elenco dei "I 10 migliori titoli azionari legati alla nanotecnologia" e Le 5 migliori aziende di informatica quantistica.

Azienda Risonatrice

Man mano che i nostri computer e i nostri dispositivi elettronici diventano più complessi, avere misurazioni esatte diventa ancora più importante, in alcuni casi addirittura una questione di vita o di morte.

Questo è il focus di SiTime, un'azienda incentrata sulla misurazione accurata del tempo tramite tecnologia al silicio. È simile al modo in cui i cristalli di quarzo vengono utilizzati negli orologi (una tecnologia vecchia di 70 anni), fatta eccezione per le sue prestazioni superiori:

• Estrema resistenza alle interferenze causate da urti, vibrazioni, variazioni di temperatura, jitter e rumore.
• Dimensioni ridotte e basso fabbisogno energetico.
• Programmabile e dalle prestazioni più elevate.

Fonte: SiTimes

SiTime è l'azienda responsabile della creazione del concetto di "cronometraggio di precisione", un segmento in crescita del 30-35% all'anno e sul quale l'azienda detiene una quota di mercato del 90%.

In quanto azienda di semiconduttori "fabless", SiTime si concentra sullo sviluppo delle sue IP, lasciando la produzione effettiva ai leader del settore, un modello di business simile a quello di Nvidia per le sue GPU e i chip AI.

Una misurazione del tempo più precisa attraverso la misurazione di precisione sta diventando un must, poiché le nuove tecnologie informatiche e delle telecomunicazioni si stanno evolvendo molto rapidamente:

• La connettività 5G è 10 volte più veloce del 4G
• Anche i data center operano a una velocità 10 volte superiore rispetto a qualche anno fa e sono destinati ad accelerare con la crescita delle applicazioni di intelligenza artificiale.
• Oggi, automobili e altri veicoli incorporano molta più elettronica, e ciò prima dell'avvento dei robotaxi (tutti i livelli di autonomia superiori a 2 necessitano di una temporizzazione di precisione).
  • SiTime offre la tecnologia "FailSafe" in cui il singolo dispositivo integra risonatori, oscillatori, clocking e meccanismi di sicurezza avanzati per la temporizzazione nei veicoli autonomi. Le spedizioni in volume inizieranno solo nel 2025.
• Il settore aerospaziale è in rapida crescita, con aziende come SpaceX all'avanguardia sia nel lancio di più materiale sia in nuove applicazioni come Internet spaziale a bassa latenza.
  • Anche le applicazioni militari stanno prendendo piede, dai radar alle comunicazioni e alla guerra elettronica.

Da startup con scarsi ricavi nel 2019 (principalmente dagli oscillatori) e con il lancio dei suoi primi risonatori nel 2020, SiTime è cresciuta molto rapidamente, aumentando subito ricavi, margine lordo e margine operativo.

Fonte: SiTimes

Ciò ha fatto seguito alla crescita complessiva del Serviceable Addressable Market (SAM) per SiTime da 1 miliardo di dollari nel 2021 a 4 miliardi di dollari nel 2024, come parte del più ampio "mercato del timing" da 10 miliardi di dollari.

Fonte: SiTimes

SiTime ha investito oltre 500 milioni di $ in R&S cumulativamente sin dall'inizio. Il settore dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) tende a favorire una struttura in cui un'azienda domina quasi interamente un segmento, poiché le barriere all'ingresso sono elevate (costi di R&S, competenza tecnica, brevetti) e i clienti tendono ad attenersi ai leader del settore.

Ciò pone SiTime come leader del “timing MEMS”, insieme ad altre aziende come Broadcom (AVGO ) per radiofrequenza o Bosch per sensori inerziali (SiTime è stata una spin-off di Bosch, prima di essere acquistata dalla società giapponese Megachips e quotata al NASDAQ nel 2019).

Con i data center AI, l'implementazione del 5G, le telecomunicazioni satellitari e i veicoli a guida autonoma, tutti settori in crescita esponenziale, SiTime è ben posizionata per crescere molto rapidamente e diventare un pilastro meno noto ma fondamentale dell'attuale rivoluzione della connettività e dell'intelligenza artificiale.

Riferimento di studio:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, LR, Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Risonatori AlN cristallini nanomeccanici con fattori di alta qualità per l'optoelettromeccanica quantistica. Materiali avanzati, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}