受自然界蜘蛛網(wǎng)啟發(fā),荷蘭代爾夫特理工大學研究人員將納米技術(shù)和機器學習相結(jié)合,成功設(shè)計出一種可在室溫下工作的、極為精確的微芯片傳感器——“蛛網(wǎng)納米機械諧振器”。該設(shè)備屬于迄今世界上最精確的傳感器之一,能在與日常噪聲極端隔離的情況下振動,表現(xiàn)出超過10億的機械品質(zhì)因數(shù),是量子技術(shù)和傳感技術(shù)結(jié)合的典范。這一突破性成果發(fā)表在《先進材料》雜志上,對引力和暗物質(zhì)研究以及量子互聯(lián)網(wǎng)、導航和傳感領(lǐng)域都有重大意義。
當溫度在絕對零度(約-273.15℃)以上時,由于電荷載流子的熱運動,所有電阻都具有噪聲,這種噪聲稱為熱噪聲。而研究微小物體振動(如傳感器或量子硬件中使用的振動物體)的最大挑戰(zhàn)之一是,如何防止環(huán)境熱噪聲與其脆弱狀態(tài)相互作用。例如,量子硬件通常保持在接近絕對零度的溫度下,但使用這種設(shè)備的冰箱每臺價格高達50萬歐元。
此次發(fā)明的網(wǎng)狀微芯片傳感器在室溫中與噪音隔絕的情況下,共振效果極好。而且,這一發(fā)明將使建造量子設(shè)備的成本大大降低。
該研究的領(lǐng)導者之一理查德·諾特表示,蜘蛛網(wǎng)是很好的振動探測器,因為蜘蛛通過感知網(wǎng)內(nèi)的振動來捕獵,而非風這樣的外部因素?!昂尾淮畛藬?shù)百萬年進化之旅的便車,用蜘蛛網(wǎng)作為超靈敏設(shè)備的初始模型呢?”
研究人員利用貝葉斯優(yōu)化算法研究復雜的蜘蛛網(wǎng),并建立了計算機模型。令人驚訝的是,該算法從150種不同的蜘蛛網(wǎng)設(shè)計中提煉出一個相對簡單的模型。
計算機模型顯示,該設(shè)備可在室溫下工作,且原子劇烈振動。通過機器學習和優(yōu)化,研究人員成功地設(shè)計出了在室溫環(huán)境下具有超低能量耗散的蛛網(wǎng)納米機械諧振器。
在這種新設(shè)計的基礎(chǔ)上,研究論文第一作者安德里亞·庫比蒂諾用超薄、納米厚的氮化硅陶瓷材料薄膜建造了一個微芯片傳感器。研究人員使微芯片“網(wǎng)”強力振動,并測量振動停止所需的時間來測試該模型,結(jié)果打破了室溫下與環(huán)境熱噪聲隔離后的振動效果紀錄。這一微芯片網(wǎng)外幾乎沒有能量損失,振動都在內(nèi)部呈圓圈運動,且不接觸外部。
“這有點像推了一下秋千,然后秋千就能不停地擺動將近一個世紀?!敝Z特說。(作者:張佳欣)
轉(zhuǎn)自:科技日報
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