EO

Trillingen op een chip voelen magnetisch veld

05 februari 2020 om 12:35 uur

Impressie van twee nanosnaren gekoppeld met licht. Omdat de snaren niet even lang zijn, kunnen ze hun trillingen niet op elkaar overbrengen: ze trillen namelijk op verschillende frequenties. Met de lichtkrachten van een gemoduleerde laser kan dat wel. En die lichtkracht breekt de symmetrie van de overbrenging: in tegenovergestelde richting krijgt de trilling een omgekeerde vertraging mee, net als een elektron in een magnetisch veld.

Amolf-onderzoekers zijn erin geslaagd om het gedrag van mechanische trillingen op een chip te laten lijken op elektrische stroom in een magnetisch veld. Door snaren op de nanometerschaal te beschijnen met laserlicht konden ze de trillingen van de ene snaar naar de andere laten springen, op dezelfde manier als elektronen in een magnetisch veld. Dit biedt nieuwe manieren om geluidsgolven te beïnvloeden – en daarmee ook de informatie die ze overbrengen op chips.


De onderzoekers publiceren hun resultaten in Nature Nanotechnology.


Geladen deeltjes kunnen met magnetische velden worden gecontroleerd, zoals in elektrische motoren en deeltjesversnellers, en dit leidt tot vele unieke verschijnselen in materialen. Een elektron dat een pad volgt in een magnetisch veld zal niet hetzelfde pad terug volgen als het in de tegenovergestelde richting wordt gestuurd. Dit principe ligt aan de basis van allerhande exotisch gedrag van elektronen op de nanometerschaal. "Voor veel toepassingen zou het nuttig zijn als we hetzelfde kunnen doen voor trillingen en geluidsgolven, en dat we dus hun symmetrische manier van voortplanten kunnen breken", zegt Ewold Verhagen. "Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan want mechanische trillingen hebben geen lading, en dit maakt ze onzichtbaar voor magnetische krachten."

 

Licht verbindt snaren van nanogitaar

Verhagen en zijn groepsleden John Mathew en Javier del Pino omzeilden dit probleem. Ze lieten twee nanometerschaal silicium snaren trillen, ieder op een eigen frequentie. In principe zijn die snaren niet in staat om de trilling van een naastgelegen snaar over te nemen, maar door de interactie met laserlicht verandert dit. Verhagen: "op deze ultrakleine lengteschalen hebben fotonen een wisselwerking met de nanosnaren dankzij de kracht die licht uitoefent. Deze kracht is evenredig aan de intensiteit van licht. Trillende snaren kunnen de lichtintensiteit een klein beetje veranderen. Wanneer twee snaren beiden belicht worden zullen de trillingen in de eerste snaar invloed hebben op de stralingskracht die op de tweede snaar werkt. Bij een juiste frequentie zal de tweede snaar dan ook gaan trillen."

 

Simuleren van een magnetisch veld

Aangezien de snaren op verschillende frequenties trillen zit de truc in de laserstraal die ze verlicht. De intensiteit dit laserlicht wordt gevarieerd met een zorgvuldig gekozen frequentie die precies gelijk is aan het frequentieverschil tussen de twee snaren. Met andere woorden: de modulatiefrequentie plus de trillingsfrequentie van de eerste snaar is precies gelijk aan de frequentie van de tweede snaar.


"Dit betekent dat een trilling in de eerste snaar overgebracht kan worden naar de tweede snaar, ook al verschillen ze qua toonhoogte. En dit gebeurt dan ook nog met een kleine vertraging (fase)", zegt Verhagen. "En ook als we de tweede snaar ‘bespelen', kan die trilling overgebracht worden op de eerste snaar. In dit geval is de tijdsvertraging precies omgekeerd. We zien dus dat het voortbewegen van trillingen verschillend is bij tegenovergestelde richtingen: de symmetrie die we normaal gesproken zien bij voortplantende mechanische trillingen (geluid) is gebroken." Bij de eerder omschreven situatie van elektronen in een sterk magnetisch veld gebeurt hetzelfde. Verhagen: "In feite simuleren we een magnetisch veld voor de deeltjes zonder lading, de fononen, die samen de geluidsgolf vormen."

 

Echovrij geluid

Een ‘magnetisch veld' voor geluid biedt op termijn toepassingsmogelijkheden voor mechanische resonatoren op de nanometerschaal. "We denken aan allerlei bijzondere vormen van geluidsgolven gecontroleerd door licht", vertelt Verhagen enthousiast. "Zoals een eenrichtingsweg voor geluid, waarbij de trillingen niet als echo terugvallen. Of zelfs een geluidsvariant van een topologische isolator waarvan de bulk van het materiaal ondoordringbaar is voor het geluid en de trillingen die zich aan de randen ophouden. Nanomechanische resonatoren worden in toenemende mate gebruikt als sensoren en voor het verwerken van signalen in mobiele telefoons. Dus als we deze processen beter beheersen biedt dat vooruitzichten op betere functionaliteiten. Maar onze ontdekkingen zijn vooral van belang voor een beter fundamenteel begrip van geluid. De ontdekking van het gedrag van elektronen in een magnetisch veld heeft geleid tot verschillende Nobelprijs ontdekkingen zoals het Kwantum-Hall-Effect, en ligt ten grondslag aan speciale eigenschappen van grafeen en Majorana-deeltjes. Wie weet wat voor spannende ontdekkingen er nog komen op het gebied van geluidsgolven in een ‘magnetisch' veld."

 

Gerelateerd nieuws

Wie helpt Nasa aan een sensor die Venus overleeft?

Wie helpt Nasa aan een sensor die Venus overleeft?

Venus is een vijandige omgeving voor zowat alles. Inclusief sondes. En hoewel Nasa denkt dat het Venus-resistente elektronica heeft, betekent dit nog niet dat toekomstige rovers klaar zijn om het helse oppervlak van de…

‘Gesensoriseerde huid’ helpt zachte robots hun omgeving te begrijpen

‘Gesensoriseerde huid’ helpt zachte robots hun omgeving te begrijpen

MIT-onderzoekers hebben een robotarm in staat gesteld zijn plek in de 3D-ruimte te begrijpen, alleen door beweging- en positiegegevens van zijn eigen ‘gesensoriseerde huid’ te gebruiken.

Sprinkhanen te lijf met drones. Een goed idee?

Sprinkhanen te lijf met drones. Een goed idee?

De Verenigde Naties (VN) gaan de plaag woestijnsprinkhanen in Oost-Afrika bestrijden met behulp van drones met sensoren en verstuivers. De sensoren moeten zwermen in kaart brengen en zich vervolgens aanpassen aan de…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Semiflexibele printplaten (PCB)

Semiflexibele printplaten bestaan uit gespecialiseerde FR-4-materialen en worden gemaakt volgens een specifieke...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

3 maart 2020, Den Bosch

High Speed and Radio frequency PCBs

Seminar about High Speed and Radio frequency PCBs

4 maart 2020, Veldhoven

RapidPro

Op weg naar de Digitale Productie

10 maart 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

Meer agendapunten »