מהודים ננו-מכניים - כיצד מחשוב קוונטי יכול להפיק תועלת מהתקנים פיזואלקטריים אלה

חיישנים מזעריים

ככל שהטכנולוגיה שלנו הופכת יותר ויותר מדויקת, היא גם דורשת מכשירים הולכים ומצטמצמים. זה ידוע היטב עבור טכנולוגיית מוליכים למחצה כמו שבבים, עם ליתוגרפיה של 2 ננומטר (ננומטר) נבדקת כעת על ידי מובילי התעשייה כמו TSMC.

מקור: TSMC

זה נכון גם לגבי חלקים מכניים, שבהם התגובה אינה חשמלית בעיקרה, כמו מוליכים למחצה. מרכיב מפתח הוא מהודים מכניים בקנה מידה ננו. הגודל הקטן מאוד של מכשירים אלה הופך אותם לשימושיים מאוד למדידת חלקיקים בודדים.

עד כה, רק קבוצה מוגבלת של חומרים לא מוליכים שימשה לייצור מהודים מכניים. זה השתנה כעת הודות לעבודתם של חוקרים באוניברסיטת צ'אלמרס לטכנולוגיה (שבדיה) ובאוניברסיטת מגדבורג (גרמניה).

קבוצת החוקרים הזו יצרה מהוד מכני מחומר חדש, שכן שניהם תכונות תהודה מצוינות והוא גם פיזואלקטרי. תוצאות אלו פורסמו ב-Advanced Materials, תחת הכותרת "מהודים AlN גבישיים ננו-מכניים עם גורמים באיכות גבוהה עבור מכניקת אופטו-אלקטרו-קוואנטית¹".

תהודה ננו-מכנית

מהודים הם רכיבים כמו מזלגות כוונון המסוגלים לרטוט בתדרים ספציפיים. במקרה של מזלג הכוונון, הוא מתנודד בתדר התהודה שלו, ומייצר גל קול בטווח השמיעה שלנו.

היום התכווצו התהודה לסולם המיקרומטר והננומטר. מהודים זעירים אלה פועלים בתדרים גבוהים בהרבה מאלה הגדולים, והם רגישים ביותר. זה הופך אותם לחיישנים טובים מאוד למדידה בקנה מידה מיקרוסקופי.

לדוגמה, ננו-נוד כזה יכול לשמש כדי למדוד את הספינים של פרוטון בודד או את כוח המשיכה בין מסות קטנות.

הפיכת מהודים לשימושיים יותר

עד כה, רוב המהודים הננו-מכניים הטובים ביותר עשויים מסיליקון ניטריד בעל מתיחה. זהו חומר בעל איכויות מכניות יוצאות דופן, מה שיוצר מהוד טוב מאוד. הבעיה היא שסיליקון ניטריד אינו מגנטי, וגם לא פיזואלקטרי, ואינו מוליך חשמל.

זו בעיה להמיר את התהודה המכנית לאות חשמלי, או לשלוט בו ישירות. אז בסך הכל, מהודים אלה של סיליקון ניטריד יכולים לקיים אינטראקציה עם מערכות אחרות רק כאשר מוסיפים חומר נוסף על גבי הסיליקון ניטריד.

הבעיה היא שתוספת כזו פוגעת ישירות בביצועי המהוד.

במקום זאת, החוקרים הצליחו ליצור מהוד ננומכני העשוי מאלומיניום ניטריד בעל מתיחה. חומר זה הוא פיזואלקטרי, אך הוא גם מציג תכונות מצוינות בתור מהוד, הנמדד לפי מאפיין הנקרא "גורם האיכות המכני" (QM).

"מהוד האלומיניום ניטריד השיג גורם איכות של יותר מ-10 מיליון. זה מצביע על כך שניטריד מאלומיניום בעל מתיחה יכולה להיות פלטפורמת חומר חדשה וחזקה עבור חיישנים קוונטיים או מתמרים קוונטיים.

Witlef Wieczorek - פרופסור לפיזיקה במחלקה למיקרוטכנולוגיה וננו-מדעים באוניברסיטת צ'אלמרס לטכנולוגיה.

חומרים פיזואלקטריים הם סוג של חומר הממיר באופן טבעי תנועה מכנית לאותות חשמליים ולהיפך.

מטען חשמלי זה מיוצר על ידי אסימטריה מאולצת: בחומרים פיזואלקטריים, מטענים חיוביים ושליליים מופרדים זה מזה, תוך שהם נשארים מיושרים בתבנית סימטרית. כאשר מתח מכני מופעל על החומר, הסימטריה הזו אובדת, וכתוצאה מכך ייצור מטען חשמלי.

אז בניגוד לגרסאות קודמות של מהודים, מהוד מאלומיניום ניטריד יכול להיות ממשק ישירות עם מערכות ננומטריות אחרות. וזה יכול לשמש לקריאה ישירה בחיישנים.

איך זה נוצר

כדי לפתח סוג חדש זה של תהודה, החוקרים יצרו סרט דק (מתוח) של אלומיניום ניטריד בעובי של 295 ננומטר, על ידי גידולו על מצע של סיליקון. המתח היה "בערך 1GPa, המקבילה לאיזון של שני פילים על ציפורן".

מקור: חומר מתקדם

הם השתמשו בעיצוב תהודה חדש, הנקרא טריאנגולין, שנראה כמו פרקטל שנעשה עם רפידה מרכזית בצורת משולש.

מקור: חומר מתקדם

הטריאנגולין יכול להיות שימושי במיוחד מכיוון שהוא יכול לשמור על תנודה קוהרנטית קוונטית אחת בטמפרטורת החדר. זה יקל הרבה יותר על השימוש בטכנולוגיה קוונטית.

הצעד הבא

כאב-טיפוס ראשון מסוגו, סביר להניח שעדיין ניתן לשפר עוד יותר את מהוד האלומיניום ניטריד המוצג כאן.

החלק הראשון יהיה להפוך אותו עם גורם איכות גבוה עוד יותר, מה שהופך אותו ליותר רגיש ושימושי. השלב הבא יהיה להתנסות ולמצוא כיצד להתאים באופן מהימן את העיצוב כך שיוכל להשתמש בפיאזואלקטריות עבור יישומי חישה קוונטית.

יישומים

היישום הברור ביותר יהיה במחשוב קוונטי. רוב המחשבים הקוונטים עובדים על ידי כך שיש להם את פיסות קוונטיות (קיוביטים) מאפיינים שנמדדו.

קוויביטים יכולים להתקיים במספר מצבים בו זמנית הודות לשתי תכונות קוונטיות: חֲפִיפָה ו הסתבכות.

• חֲפִיפָה מאפשר ל-qubits לייצג גם 0 וגם 1 בו-זמנית, ומגדיל באופן אקספוננציאלי את הנתונים שניתן לעבד בהשוואה לביטים קלאסיים.
• הסתבכות מקשר קיוביטים בצורה כזו שמצבו של קיוביט אחד יכול להשפיע באופן מיידי על אחר, אפילו על פני מרחקים גדולים.

מאפיינים אלו מאפשרים ל-QPUs לפתור בעיות מורכבות מאוד מהר יותר ממחשבים קלאסיים על ידי חקירת מספר פתרונות בו-זמנית.

עם זאת, קיוביטים הם שבירים ביותר, ומדידת תכונותיהם אינה משימה קלה. מהוד טמפרטורת חדר שהוא גם פיזואלקטרי יכול להיות מחליף משחק, הן מבחינת ביצועים והן מבחינת עלויות.

זה יכול להפוך את מהודים מאלומיניום ניטריד לחלק מרכזי בפיתוח של יחידות עיבוד קוונטיות המסוגלות להחליף את המעבד הנוכחי שלנו, נושא שדנו בו בפרטים נוספים ב"יחידות עיבוד קוונטיות (QPUs): העתיד של המחשוב" ובתוך "המצב הנוכחי של מחשוב קוונטי".

יישומים אחרים עשויים לנבוע מהדיוק הקיצוני של המהוד, ביישומי נישה נדרשים רעש נמוך וזמן קוהרנטיות ארוך, כמו מתלי מראות, התקנים אופטו-מכניים בחלל קוונטי, או חיישנים ננו-מכניים, כולם שימושיים עבור ננו-התקנים כמו נוריות LED, מחשוב פוטוניקה וכו'.

זוהי דוגמה נוספת למידת החשיבות של חומרים פיזואלקטריים בטכנולוגיות עתידיות. תוכל ללמוד עוד על נושא זה מכמה מהמאמרים שלנו המכסים חומרים אלה:

• חומרים פיזואלקטריים - מקור הכוח הלא ידוע הנפוץ ביותר
• פריצת דרך בפחמן ניטריד פותחת דלת להתקדמות גדולה במדעי החומר
• ההתקדמות בחומרים מרוכבים פיזואלקטריים מאפשרים רתימה ופרשנות של אנרגיה קינטית
• לוחות מעגלים מודפסים מתכווצים עם ממירי חשמל פיזואלקטריים

השקעה בננוטכנולוגיה

הננוטכנולוגיה הופכת לפלח צומח מעבר לייצור מוליכים למחצה, עם הבטחות לחומרי פלא לתעשיות התעופה והביוטכנולוגיה, האנרגיה והכימיה.

אתה יכול להשקיע בחברות ננוטכנולוגיה דרך ברוקרים רבים, ותוכל למצוא כאן, ב securities.io, ההמלצות שלנו לברוקרים הטובים ביותר ב ארצות הברית, קנדה, אוסטרליה, בריטניה, כמו גם מדינות רבות אחרות.

אם אינך מעוניין לבחור חברות ננו-טכנולוגיה ספציפיות, אתה יכול גם לבדוק תעודות סל של ננוטכנולוגיה כמו ProShares Nanotechnology ETF (TINY) או ה Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) מה שיספק חשיפה מגוונת יותר כדי לנצל מניות מחשוב קוונטי וננוטק.

או שאתה יכול להסתכל ברשימה שלנו של "10 מניות הננוטכנולוגיה המובילות"ו 5 חברות המחשוב הקוונטי הטובות ביותר.

חברת Resonator

ככל שהמחשבים והאלקטרוניקה שלנו הופכים מורכבים יותר, המידות המדויקות הופכות חשובות עוד יותר, במקרים מסוימים עניין של חיים או מוות.

זהו המוקד של SiTime, חברה שבמרכזה מדידת זמן מדויקת באמצעות טכנולוגיית סיליקון. זה דומה לאופן שבו משתמשים בגבישי קוורץ בשעונים (טכנולוגיה בת 70 שנה), למעט הביצועים המעולים שלה:

• עמידות קיצונית להפרעות מהלם, רעידות, שינויים בטמפרטורה, ריצוד ורעש.
• גודל קטן ודרישות חשמל נמוכות.
• ניתן לתכנות וביצועים גבוהים יותר.

מקור: SiTimes

SiTime היא החברה שאחראית ליצירת המושג "תזמון מדויק", פלח שצומח ב-30-35% בשנה ועליו יש לחברה נתח שוק של 90%.

כחברת מוליכים למחצה "חסרי אגדות", SiTime מתמקדת בפיתוח ה-IP שלה, ומשאירה את הייצור בפועל למובילי התעשייה, מודל עסקי דומה ל-Nvidia עבור ה-GPUs ושבבי ה-AI שלה.

מדידת זמן מדויקת יותר באמצעות תזמון מדויק הופכת לחובה, מכיוון שטכנולוגיות מחשוב וטלקום חדשות נעות מהר מאוד:

• קישוריות 5G היא פי 10 מהמהירות של 4G
• מרכזי נתונים פועלים גם פי 10 מהר יותר מאשר לפני כמה שנים, והם מוכנים להאיץ עם יישומי בינה מלאכותית הגדלה.
• כלי רכב וכלי רכב אחרים משלבים הרבה יותר אלקטרוניקה היום, ולפני הופעת רובוטקסיס (כל רמות האוטונומיה מעל 2 זקוקות לתזמון מדויק).
  • SiTime מציעה את טכנולוגיית "FailSafe" שבה המכשיר היחיד משלב מהודים, מתנדים, שעון ומנגנוני בטיחות מתקדמים לתזמון ברכבים אוטונומיים. משלוחים בנפח יתחילו רק ב-2025.
• מגזר התעופה והחלל צומח במהירות, כאשר חברות כמו SpaceX מובילות הן בשימוש בחומרים נוספים שהושקו, והן ביישומים חדשים כמו אינטרנט מבוסס חלל עם זמן אחזור נמוך.
  • גם יישומים צבאיים צוברים, ממכ"מים ועד תקשורת ולוחמה אלקטרונית.

מסטארטאפ עם הכנסות קטנות ב-2019 (בעיקר מתנדים) והשקת מהודים ראשונים ב-2020, SiTime גדלה מהר מאוד, והגדילה בבת אחת את ההכנסות, הרווח הגולמי והרווח התפעולי.

מקור: SiTimes

זה בא בעקבות הצמיחה הכוללת של השוק הניתן לטיפול שירות (SAM) עבור SiTime מ-1 מיליארד דולר ב-2021 ל-4 מיליארד דולר ב-2024, כחלק מ"שוק התזמון" הגדול יותר בסך 10 מיליארד דולר.

מקור: SiTimes

SiTime השקיעה יותר מ-500 מיליון דולר במו"פ מצטבר מאז היווסדה. תעשיית המערכות המיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) נוטה להעדיף מבנה שבו חברה אחת שולטת כמעט לחלוטין בפלח, שכן חסמי הכניסה גבוהים (עלויות מו"פ, מומחיות טכנית, פטנטים) ולקוחות נוטים להיצמד למובילי התעשייה.

זה מציב את SiTime כמובילה של "תזמון MEMS", לצד חברות אחרות כמו ברודקום (AVGO ) עבור תדר רדיו או בוש עבור חיישני אינרציה (SiTime היה ספין-אוף מבוש, לפני שנקנה על ידי חברת Megachips היפנית והונפק ב-NASDAQ ב-2019).

עם מרכזי נתונים בינה מלאכותית, פריסת 5G, טלקומוניקציה לוויינית וכלי רכב בנהיגה עצמית, כל הסקטורים הצומחים באופן אקספוננציאלי, SiTime ממוקמת היטב לעצמה לצמוח במהירות רבה, ולהיות אבן יסוד פחות מוכרת אך חיונית של מהפכת הקישוריות וה-AI המתמשכת.

התייחסות למחקר:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, LR, Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). מהודים AlN גבישיים ננו-מכניים עם גורמים איכותיים לאופטואלקטרומכניקה קוונטית. חומרים מתקדמים, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}