Récord mundial: nanomembrana para la metrología cuántica del futuro
Los sistemas nanomecánicos han alcanzado un nivel de precisión y miniaturización que permitirá utilizarlos en microscopios de fuerza atómica de ultra alta resolución en el futuro
Un gran salto en la tecnología de medición comienza con una minúscula separación de sólo 32 nanómetros. Esta es la distancia entre una membrana móvil de aluminio y un electrodo fijo, que juntos forman un condensador de placas paralelas extremadamente compacto: un nuevo récord mundial. Esta estructura está pensada para su uso en sensores de alta precisión, como los necesarios para la microscopía de fuerza atómica.
Ulrich Schmid, MinHee Kwon, Daniel Platz
© TU Wien
Pero este récord mundial es algo más que una impresionante proeza de miniaturización: forma parte de una estrategia más amplia. La Universidad Técnica de Viena está desarrollando varias plataformas de hardware para que la detección cuántica sea más fácil de usar, más robusta y más versátil. En los experimentos optomecánicos convencionales, el movimiento de diminutas estructuras mecánicas se lee con luz. Sin embargo, los dispositivos ópticos son delicados, complejos y difíciles de integrar en sistemas compactos y portátiles. Por ello, la Universidad Técnica de Viena recurre a otros tipos de oscilaciones distintas de las ópticas [DP1], más adecuadas para sensores compactos.
Hacia los límites de la física cuántica
En la estructura de 32 nanómetros que bate récords, este papel es asumido por un circuito eléctrico resonante. En otros experimentos, el equipo de TU Wien utiliza resonadores puramente mecánicos cuyas vibraciones pueden acoplarse deliberadamente entre sí.
Ambas plataformas persiguen el mismo objetivo: perfeccionar las nanoestructuras mecánicas y electromecánicas hasta el punto de que algún día permitan realizar mediciones limitadas únicamente por las leyes fundamentales de la física cuántica.
Mediciones ultraprecisas mediante vibraciones
Cuando se golpea un tambor, su membrana vibra. El sonido que produce revela su tensión. "De forma similar, las vibraciones de nuestra nanomembrana se ven influidas por diversos parámetros", explica Daniel Platz, del Instituto de Sistemas de Sensores y Actuadores de la Universidad Técnica de Viena, que dirigió el proyecto junto con Ulrich Schmid. "Nuestra membrana de aluminio forma un diminuto condensador junto con un electrodo. Combinado con un inductor, esto crea un circuito resonante cuya resonancia es extremadamente sensible a cualquier cambio en la vibración mecánica."
Este acoplamiento entre el movimiento de la membrana y el circuito resonante eléctrico permite medir vibraciones extremadamente pequeñas. Normalmente, este tipo de mediciones siempre se ven afectadas por ruidos e incertidumbres procedentes de diversas fuentes. La temperatura puede introducir ruido, y las señales ópticas o eléctricas son intrínsecamente ruidosas porque están formadas por partículas discretas. Aunque los métodos de medición óptica pueden ser en principio muy precisos, las estructuras desarrolladas en la Universidad Técnica de Viena consiguen ahora un rendimiento superior en cuanto a ruido, limitado únicamente por las leyes de la física cuántica, sin depender de componentes ópticos.
Esto convierte a la tecnología en un socio ideal para la microscopía de fuerza atómica. En un microscopio de fuerza atómica, una fina punta se mueve justo por encima de una superficie. Las diminutas fuerzas entre los átomos de la superficie y la punta generan vibraciones, cuya medición produce una imagen extremadamente precisa de la superficie. "Sustituimos las mediciones ópticas por mediciones del circuito resonante eléctrico, sin necesidad de voluminosos componentes ópticos", explica Ioan Ignat, que trabajó en el proyecto junto con MinHee Kwon. Ambos son actualmente doctorandos en la Universidad Técnica de Viena.
Abrir la puerta al mundo cuántico
De hecho, ni siquiera el circuito resonante eléctrico es estrictamente necesario. Utilizando una estructura diferente, el equipo demostró que también pueden emplearse sistemas puramente mecánicos integrados en un chip. "Desde la perspectiva de la teoría cuántica, no hay ninguna diferencia fundamental entre trabajar con oscilaciones electromagnéticas o con vibraciones mecánicas: matemáticamente, ambas pueden describirse de la misma manera", afirma MinHee Kwon.
Esto también evita el problema de que los circuitos eléctricos resonantes de la detección cuántica a menudo tienen que enfriarse a temperaturas extremadamente bajas. "Incluso a temperatura ambiente, las vibraciones de un sistema puramente micromecánico pueden acoplarse en una gama de frecuencias de GHz sin que el ruido térmico anule los efectos del acoplamiento", explica Daniel Platz. "Esto es notable, ya que muchos experimentos de detección cuántica existentes sólo funcionan cerca del cero absoluto".
"Nuestros resultados nos hacen ser muy optimistas de cara al futuro", afirma Daniel Platz. "Hemos demostrado que nuestras nanoestructuras poseen las propiedades clave necesarias para fabricar una nueva generación de sensores cuánticos fiables y muy precisos. La puerta al mundo cuántico está ahora abierta: estamos ansiosos por ver qué nos espera allí."
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