新型室溫微芯片傳感器可降低建造量子設備成本

受自然界蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究人員將納米技術(shù)和機器學(xué)習相結合，成功設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(dòng)，表現出超過(guò)10億的機械品質(zhì)因數，是量子技術(shù)和傳感技術(shù)結合的典范。這一突破性成果發(fā)表在《先進(jìn)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(shí)，由于電荷載流子的熱運動(dòng)，所有電阻都具有噪聲，這種噪聲稱(chēng)為熱噪聲。而研究微小物體振動(dòng)(如傳感器或量子硬件中使用的振動(dòng)物體)的最大挑戰之一是，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，但使用這種設備的冰箱每臺價(jià)格高達50萬(wàn)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(dòng)探測器，因為蜘蛛通過(guò)感知網(wǎng)內的振動(dòng)來(lái)捕獵，而非風(fēng)這樣的外部因素。“何不搭乘數百萬(wàn)年進(jìn)化之旅的便車(chē)，用蜘蛛網(wǎng)作為超靈敏設備的初始模型呢?”

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)設計中提煉出一個(gè)相對簡(jiǎn)單的模型。

計算機模型顯示，該設備可在室溫下工作，且原子劇烈振動(dòng)。通過(guò)機器學(xué)習和優(yōu)化，研究人員成功地設計出了在室溫環(huán)境下具有超低能量耗散的蛛網(wǎng)納米機械諧振器。

在這種新設計的基礎上，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(gè)微芯片傳感器。研究人員使微芯片“網(wǎng)”強力振動(dòng)，并測量振動(dòng)停止所需的時(shí)間來(lái)測試該模型，結果打破了室溫下與環(huán)境熱噪聲隔離后的振動(dòng)效果紀錄。這一微芯片網(wǎng)外幾乎沒(méi)有能量損失，振動(dòng)都在內部呈圓圈運動(dòng)，且不接觸外部。

“這有點(diǎn)像推了一下秋千，然后秋千就能不停地擺動(dòng)將近一個(gè)世紀。”諾特說(shuō)。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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