Pesquisadores da TU Delft e da Brown University desenvolveram ressonadores em forma de corda capazes de vibrar por mais tempo em temperatura ambiente do que qualquer outro objeto em estado sólido conhecido – aproximando-se do que atualmente só é alcançado perto das temperaturas do zero absoluto. O estudo deles, publicado na Nature Communications, avança a fronteira da nanotecnologia e do aprendizado de máquina para criar alguns dos sensores mecânicos mais sensíveis do mundo.
As nanocordas recentemente desenvolvidas possuem os maiores fatores de qualidade mecânica já registrados para qualquer objeto preso em ambientes de temperatura ambiente; no caso delas, presas a um microchip. Isso torna a tecnologia interessante para integração com plataformas de microchip existentes. Fatores de qualidade mecânica representam o quão bem a energia reverbera em um objeto vibrante. Essas cordas são especialmente projetadas para prender as vibrações e não deixar a energia escapar. Um balanço de 100 anos em um microchip
“Imagine um balanço que, uma vez empurrado, continua balançando por quase 100 anos porque perde quase nenhuma energia através das cordas,” diz o professor associado Richard Norte. “Nossas nanocordas fazem algo similar, mas em vez de vibrar uma vez por segundo como um balanço, nossas cordas vibram 100.000 vezes por segundo. Como é difícil para a energia escapar, isso também significa que o ruído ambiental tem dificuldade de entrar, tornando estes alguns dos melhores sensores para ambientes de temperatura ambiente.
Essa inovação é crucial para estudar fenômenos quânticos macroscópicos em temperatura ambiente – ambientes onde tais fenômenos eram previamente mascarados pelo ruído. Enquanto as estranhas leis da mecânica quântica geralmente só são vistas em átomos individuais, a capacidade das nanocordas de se isolarem do nosso ruído vibracional cotidiano baseado em calor permite que elas abram uma janela para suas próprias assinaturas quânticas; cordas feitas de bilhões de átomos. Em ambientes do dia a dia, essa capacidade teria usos interessantes para sensoriamento baseado em quantum. Coincidência extraordinária entre simulação e experimento
“Nosso processo de fabricação vai em uma direção diferente em relação ao que é possível na nanotecnologia hoje,” disse o Dr. Andrea Cupertino, que liderou os esforços experimentais. As cordas têm 3 centímetros de comprimento e 70 nanômetros de espessura, mas, em escala maior, isso seria equivalente a fabricar cordas de guitarra de vidro suspensas a meio quilômetro com quase nenhuma curvatura. “Esse tipo de estrutura extrema só é viável em nanoescala onde os efeitos da gravidade e do peso são diferentes. Isso permite estruturas que seriam inviáveis em nossas escalas cotidianas, mas são particularmente úteis em dispositivos miniaturizados usados para medir quantidades físicas como pressão, temperatura, aceleração e campos magnéticos, que chamamos de sensoriamento MEMS”.
As nanocordas são fabricadas usando técnicas avançadas de nanotecnologia desenvolvidas na TU Delft, expandindo os limites de quão finas e longas podem ser feitas as nanostruturas suspensas. Uma chave da colaboração é que essas nanostruturas podem ser feitas de forma tão perfeita em um microchip, que há uma coincidência extraordinária entre simulações e experimentos – significando que as simulações podem atuar como dados para algoritmos de aprendizado de máquina, ao invés de experimentos custosos. “Nossa abordagem envolveu o uso de algoritmos de aprendizado de máquina para otimizar o design sem fabricar protótipos continuamente,” observou o autor principal Dr. Dongil Shin, que desenvolveu esses algoritmos com Miguel Bessa.
Para aumentar ainda mais a eficiência do design dessas estruturas grandes e detalhadas, os algoritmos de aprendizado de máquina utilizaram de forma inteligente insights de experimentos com cordas mais simples e curtas para refinar os designs de cordas mais longas, tornando o processo de desenvolvimento tanto econômico quanto eficaz. Segundo Norte, o sucesso deste projeto é um testemunho da frutífera colaboração entre especialistas em nanotecnologia e aprendizado de máquina, destacando a natureza interdisciplinar da pesquisa científica de ponta. Navegação inercial e microfones de próxima geração
As implicações dessas nanocordas vão além da ciência básica. Elas oferecem novos caminhos promissores para integrar sensores altamente sensíveis com a tecnologia de microchip padrão, levando a novas abordagens no sensoriamento baseado em vibração. Embora esses estudos iniciais se concentrem em cordas, os conceitos podem ser expandido para designs mais complexos para medir outros parâmetros importantes, como aceleração para navegação inercial ou algo mais parecido com um tambor vibrante para microfones de próxima geração. Esta pesquisa demonstra a vasta gama de possibilidades ao combinar avanços da nanotecnologia com aprendizado de máquina para abrir novas fronteiras na tecnologia.