Nanomechanische resonatoren – hoe quantum computing kan profiteren van deze piëzo-elektrische apparaten

Miniaturisering van sensoren

Naarmate onze technologie steeds preciezer wordt, vereist het ook steeds kleiner wordende apparaten. Dit is bekend voor halfgeleidertechnologie zoals chips, met 2 nm (nanometer) lithografie wordt nu getest door leiders in de industrie zoals TSMC.

Bron: TSMC

Dit geldt ook voor mechanische onderdelen, waar de reactie niet primair elektrisch is, zoals in halfgeleiders. Een belangrijk element zijn nano-schaal mechanische resonatoren. De zeer kleine omvang van deze apparaten maakt ze zeer nuttig voor het meten van afzonderlijke deeltjes.

Tot nu toe werd er slechts een beperkte set niet-geleidende materialen gebruikt om mechanische resonatoren te produceren. Dit is nu veranderd dankzij het werk van onderzoekers aan de Chalmers University of Technology (Zweden) en de Universiteit van Magdeburg (Duitsland).

Deze groep onderzoekers heeft een mechanische resonator gemaakt van een nieuw materiaal, dat zowel uitstekende resonantie-eigenschappen en is ook piëzo-elektrisch. Deze resultaten werden gepubliceerd in Advanced Materials, onder de titel “Nanomechanische kristallijne AlN-resonatoren met hoge kwaliteitsfactoren voor kwantumopto-elektromechanica¹'.

Nanomechanische resonatoren

Resonatoren zijn componenten zoals stemvorken die kunnen trillen op specifieke frequenties. In het geval van de stemvork, oscilleert deze op zijn resonantiefrequentie, waardoor een geluidsgolf binnen ons gehoorbereik ontstaat.

Tegenwoordig zijn resonatoren gekrompen tot de micrometer- en nanometerschaal. Deze kleine resonatoren werken op veel hogere frequenties dan grote, en zijn extreem gevoelig. Dit maakt ze zeer goede sensoren voor metingen op microscopische schaal.

Zo'n nanoresonator kan bijvoorbeeld gebruikt worden om de spins van een enkel proton te meten of de zwaartekracht tussen kleine massa's.

Resonatoren nuttiger maken

Tot nu toe zijn de meeste van de beste nanomechanische resonatoren gemaakt van trek-gespannen siliciumnitride. Dit is een materiaal met uitzonderlijke mechanische kwaliteiten, wat het een zeer goede resonator maakt. Het probleem is dat siliciumnitride niet magnetisch is, noch piëzo-elektrisch, en geen elektriciteit geleidt.

Dit is een probleem om de mechanische resonantie om te zetten in een elektrisch signaal, of om het direct te regelen. Dus over het algemeen kunnen deze siliciumnitride-resonatoren alleen interacteren met andere systemen wanneer er een ander materiaal bovenop het siliciumnitride wordt toegevoegd.

Het probleem is dat een dergelijke toevoeging de prestaties van de resonator direct schaadt.

In plaats daarvan slaagden de onderzoekers erin een nanomechanische resonator te creëren die gemaakt is van trek-gespannen aluminium nitride. Dit materiaal is piëzo-elektrisch, maar het vertoont ook uitstekende eigenschappen als resonator, gemeten door een kenmerk dat de “mechanische kwaliteitsfactor” wordt genoemd (Qm).

“De aluminium nitride resonator behaalde een kwaliteitsfactor van meer dan 10 miljoen. Dit suggereert dat trek-gespannen aluminium nitride een krachtig nieuw materiaalplatform zou kunnen zijn voor kwantumsensoren of kwantumtransducers.

Witlef Wieczorek – hoogleraar natuurkunde aan de afdeling microtechnologie en nanowetenschappen aan de Chalmers University of Technology.

Piëzo-elektrische materialen zijn een type materiaal dat op natuurlijke wijze mechanische bewegingen omzet in elektrische signalen en vice versa.

Deze elektrische lading wordt geproduceerd door gedwongen asymmetrie: in piëzo-elektrische materialen worden positieve en negatieve ladingen van elkaar gescheiden, terwijl ze in een symmetrisch patroon uitgelijnd blijven. Wanneer er mechanische spanning op de substantie wordt uitgeoefend, gaat deze symmetrie verloren, wat resulteert in de productie van een elektrische lading.

Dus in tegenstelling tot eerdere versies van resonatoren, kan een aluminium nitride resonator direct worden gekoppeld aan andere nanoschaalsystemen. En het kan worden gebruikt voor directe uitlezing in sensoren.

Hoe het gemaakt is

Om dit nieuwe type resonator te ontwikkelen, creëerden de onderzoekers een zeer gespannen (gespannen) dunne film van aluminium nitride van 295 nm dik, door deze te laten groeien op een substraat van silicium. De spanning was "ongeveer 1 GPa, het equivalent van het balanceren van twee olifanten op een vingernagel".

Bron: Geavanceerd materiaal

Ze gebruikten een nieuw resonatorontwerp, trianguline genaamd, dat lijkt op een fractal, gemaakt met een centraal driehoekig kussen.

Bron: Geavanceerd materiaal

De trianguline zou vooral nuttig kunnen zijn omdat het een enkele kwantumcoherente oscillatie bij kamertemperatuur kan handhaven. Dit zou het een stuk makkelijker maken om het in kwantumtechnologie te gebruiken.

De volgende stap

Omdat het hier gepresenteerde prototype van aluminium nitride nog nooit eerder is gebruikt, is het waarschijnlijk dat de resonator nog verder verbeterd kan worden.

Het eerste deel zal zijn om het te maken met een nog hogere kwaliteitsfactor, waardoor het gevoeliger en bruikbaarder wordt. De volgende stap zal zijn om te experimenteren en te ontdekken hoe het ontwerp betrouwbaar kan worden aangepast zodat het piëzo-elektriciteit kan gebruiken voor kwantumdetectietoepassingen.

Toepassingen

De meest voor de hand liggende toepassing zou zijn in quantum computing. De meeste quantumcomputers werken door de kwantumbits (qubits) eigenschappen gemeten.

Qubits kunnen zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden dankzij twee kwantumeigenschappen: superpositie en  verstrikking.

• Superpositie maakt het mogelijk dat qubits tegelijkertijd 0 en 1 weergeven, waardoor de hoeveelheid data die verwerkt kan worden exponentieel toeneemt in vergelijking met klassieke bits.
• verstrikking verbindt qubits zodanig dat de toestand van de ene qubit onmiddellijk invloed kan hebben op de toestand van een andere qubit, zelfs over grote afstanden.

Dankzij deze eigenschappen kunnen QPU's zeer complexe problemen veel sneller oplossen dan klassieke computers, doordat er tegelijkertijd meerdere oplossingen worden onderzocht.

Qubits zijn echter extreem kwetsbaar en het meten van hun eigenschappen is geen gemakkelijke taak. Een kamertemperatuurresonator die ook piëzo-elektrisch is, zou een game changer kunnen zijn, zowel qua prestaties als qua kosten.

Dit zou aluminium nitride resonatoren een sleutelrol kunnen laten spelen in de ontwikkeling van Quantum Processing Units die onze huidige CPU kunnen vervangen, een onderwerp dat we in meer detail hebben besproken in “Quantum Processing Units (QPU's): de toekomst van computing" en in "De huidige staat van kwantumcomputers'.

Andere toepassingen kunnen voortkomen uit de extreme precisie van de resonatoren. In nichetoepassingen zijn een lage ruis en een lange coherentietijd vereist, zoals spiegelophangingen, optomechanische apparaten met kwantumholtes of nanomechanische sensoren. Deze zijn allemaal nuttig voor nano-apparaten zoals LED's, fotonica, enzovoort.

Dit is nog een voorbeeld van hoe belangrijk piëzo-elektrische materialen kunnen zijn in toekomstige technologieën. U kunt meer over dit onderwerp leren in enkele van onze artikelen over deze materialen:

• Piëzo-elektrische materialen – de meest voorkomende onbekende stroombron
• Doorbraak in koolstofnitride opent de deur naar grote vooruitgang in de materiaalkunde
• Vooruitgang in piëzo-elektrische composieten maakt het benutten en interpreteren van kinetische energie mogelijk
• Krimpende printplaten met piëzo-elektrische stroomomvormers

Investeren in nanotechnologie

Nanotechnologie ontwikkelt zich tot een groeiend segment dat verder reikt dan alleen de productie van halfgeleiders. Het belooft wondermaterialen te worden voor de lucht- en ruimtevaart, biotechnologie, energie en chemische industrie.

U kunt via veel brokers in nanotechbedrijven investeren, en u kunt hier terecht, op effecten.io, onze aanbevelingen voor de beste makelaars in de Verenigde Staten, Canada, Australië, Brittannië, evenals vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het kiezen van specifieke nanotechbedrijven, kunt u ook kijken naar nanotechnologie-ETF's zoals de ProShares Nanotechnologie ETF (TINY) of de Direxion Nanotechnologie ETF (TYNE) wat zorgt voor een meer gediversifieerde blootstelling om te profiteren van aandelen in quantum computing en nanotechnologie.

Of u kunt onze lijst met de “Top 10 nanotechnologieaandelen”En 5 beste kwantumcomputerbedrijven.

Resonatorbedrijf

Naarmate onze computers en elektronica complexer worden, worden nauwkeurige metingen steeds belangrijker. In sommige gevallen is het zelfs een kwestie van leven of dood.

Dit is de focus van SiTime, een bedrijf dat zich richt op nauwkeurige tijdsmeting met behulp van siliciumtechnologie. Dit is vergelijkbaar met hoe kwartskristallen worden gebruikt in horloges (een 70 jaar oude technologie), behalve de superieure prestaties:

• Uiterst bestand tegen storingen door schokken, trillingen, temperatuurschommelingen, trillingen en ruis.
• Klein formaat en laag stroomverbruik.
• Programmeerbaar en hogere prestaties.

Bron: SiTimes

SiTime is het bedrijf dat verantwoordelijk is voor het creëren van het concept van “precisietiming”, een segment dat jaarlijks met 30-35% groeit en waarin het bedrijf een marktaandeel van 90% heeft.

Als ‘fabless’ halfgeleiderbedrijf richt SiTime zich op de ontwikkeling van zijn IP’s en laat de daadwerkelijke productie over aan leiders in de sector. Dit is een vergelijkbaar bedrijfsmodel als dat van Nvidia voor zijn GPU’s en AI-chips.

Nauwkeurigere tijdsmeting door middel van precisietiming wordt een must, omdat nieuwe computer- en telecomtechnologieën zich razendsnel ontwikkelen:

• 5G-connectiviteit is 10x sneller dan 4G
• Datacenters werken bovendien 10x sneller dan een paar jaar geleden en de groei van AI-toepassingen zal alleen maar toenemen.
• Tegenwoordig bevatten auto's en andere voertuigen veel meer elektronica, en dat was nog vóór de komst van robotaxi's (alle autonomieniveaus boven 2 vereisen nauwkeurige timing).
  • SiTime biedt de “FailSafe”-technologie waarbij het enkele apparaat resonatoren, oscillatoren, klokken en geavanceerde veiligheidsmechanismen voor timing in autonome voertuigen integreert. Verzendingen in volume starten pas in 2025.
• De lucht- en ruimtevaartsector groeit snel, met bedrijven als SpaceX die vooroplopen in zowel de lancering van meer materiaal als in nieuwe toepassingen, zoals ruimte-internet met een lage latentie.
  • Ook militaire toepassingen nemen toe, van radars tot communicatie en elektronische oorlogsvoering.

SiTime is van een startup met weinig inkomsten in 2019 (voornamelijk uit oscillatoren) en de lancering van de eerste resonatoren in 2020, razendsnel gegroeid en heeft zowel de inkomsten, brutomarge als operationele marge zien toenemen.

Bron: SiTimes

Dit volgde op de algehele groei van de Serviceable Addressable Market (SAM) voor SiTime van $1 miljard in 2021 tot $4 miljard in 2024, als onderdeel van de algehele grotere $10 miljard "timingmarkt".

Bron: SiTimes

SiTime heeft sinds de oprichting cumulatief meer dan $ 500 miljoen geïnvesteerd in R&D. De micro-elektromechanische systemen (MEMS)-industrie neigt naar een structuur waarbij één bedrijf een segment bijna volledig domineert, aangezien de toetredingsdrempels hoog zijn (R&D-kosten, technische expertise, patenten) en klanten de neiging hebben om vast te houden aan de leiders in de industrie.

Dit plaatst SiTime op de markt als leider op het gebied van ‘timing MEMS’, naast andere bedrijven zoals Broadcom (Avgo + 0.09%) voor radiofrequentie of Bosch voor traagheidssensoren (SiTime was een spin-off van Bosch, voordat het in 2019 werd gekocht door het Japanse bedrijf Megachips en op de NASDAQ werd genoteerd).

Met AI-datacenters, 5G-implementatie, satelliettelecommunicatie en zelfrijdende voertuigen, allemaal sectoren die exponentieel groeien, is SiTime goed gepositioneerd om zeer snel te groeien en een minder bekende, maar essentiële hoeksteen te worden van de voortdurende connectiviteits- en AI-revolutie.

Studie referentie:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, LR, Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanische kristallijne AlN-resonatoren met hoge kwaliteitsfactoren voor kwantumopto-elektromechanica. Geavanceerde materialen, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}