從宏觀引力波探測器到納米級聲學(xué)器件，具有高長寬比的機械諧振器在精密傳感領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，制造方面的挑戰(zhàn)和高昂的計算成本限制了這些器件的長度與厚度之比，在納米工程設(shè)計方面有待進一步開發(fā)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和美國布朗大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種新型“納米弦（nanostring）”，由其制成的室溫機械諧振器具有有史以來最高的品質(zhì)因數(shù)，可以在前所未有的長時間內(nèi)振動，幾乎不耗散任何能量。該器件長度為厘米級，而直徑僅為納米級，可用于探測重力等超微小的力。

納米機械諧振器是一種微小的振動梁，能以極高的諧振頻率（通常在兆赫茲或千兆赫茲范圍內(nèi)）振蕩。它們可用于無線通信信號處理，也可用于基礎(chǔ)研究，以檢測并確定單個DNA分子或病毒等微小物體的質(zhì)量。后一種應(yīng)用的工作原理是，每當(dāng)一個小粒子被吸收到振動梁上時，其振動的頻率就會發(fā)生變化，這種變化可以被監(jiān)測到并用來計算粒子的質(zhì)量。

細長型諧振器比長寬比較低的諧振器靈敏度更高，但卻難以制造。在這項最新的研究中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Richard Norte和美國布朗大學(xué)Miguel Bessa領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團隊利用機器學(xué)習(xí)設(shè)計諧振器，并采用先進的納米制造工藝克服了這一難題。由此獲得的“納米弦”長度為3厘米，厚度僅為70納米。

“相當(dāng)于一根用陶瓷材料制成的1毫米粗琴弦，但另一端可以自由懸掛在半公里之外，而且弦本身幾乎沒有任何下垂。”Norte說，“這樣的結(jié)構(gòu)，在日常的宏觀尺度上是不可能制造出來的。”

Norte補充說，這種新型振動傳感器可以記錄科學(xué)研究中遇到的最小的力，其靈敏度過去只有在接近絕對零度下才能達到。其靈敏度源于極高的品質(zhì)因數(shù)，在千赫茲頻率下，其品質(zhì)因數(shù)高達100億，這意味著納米弦每秒可振動100000次，而能量損失極小。

前所未有的靈敏度

多保真貝葉斯優(yōu)化

為了制造這種傳感器，研究人員選擇了一種常用于諧振器的高應(yīng)力材料氮化硅（Si?N?）。通過利用一種稱為多保真貝葉斯優(yōu)化的算法，幫助他們快速有效地找到了優(yōu)選的設(shè)計方案。首先，研究人員明確該算法應(yīng)考慮器件置于硅微型芯片上，由幾十納米厚的Si?N?薄片制成，并在幾厘米的長度上自由懸浮。

“納米弦”諧振器的制造過程

該算法建議采用長度為3厘米、長寬比大于4.3 x 10?的諧振器。為了按照這一苛刻規(guī)格制造，研究人員將Si?N?沉積在用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）技術(shù)制造的2毫米硅晶圓上。然后，他們使用電子束刻蝕或光刻技術(shù)制作了一個“支架”層，再使用化學(xué)刻蝕技術(shù)將其去除。Norte介紹說，最后這一步獲得了在制造過程中沒有受到任何額外力的納米弦，否則可能會導(dǎo)致納米弦坍塌或斷裂。

破紀錄的品質(zhì)因數(shù)

為了對該器件進行表征，研究小組用壓電臺使其振動，然后使用光學(xué)干涉儀測量振動停止所需的時間。這些“衰減”測量結(jié)果提供了有關(guān)諧振器振幅衰減速度的信息，因此也提供了有關(guān)能量耗散速度的信息，這些值隨后被用來計算品質(zhì)因數(shù)。對于一個3厘米長的Si?N?納米弦，在室溫下獲得了超過6.5 x 10?的品質(zhì)因數(shù)，這是迄今有記錄的此類機械夾緊諧振器的最高值。

品質(zhì)因數(shù)驗證

該研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊，論文介紹稱基于這種微芯片的諧振器幾乎沒有能量外部損失。他們說，這是因為振動被“困”在了納米弦的中部。Norte解釋說：“這也意味著，來自我們?nèi)粘８邷丨h(huán)境的噪音也無法進入納米弦的中心，因此它相當(dāng)于被屏蔽了，這也使其能夠感知最微小的力。這有點像秋千，一旦被推動，就能一直蕩上近100年，因為它幾乎不會通過繩索損失任何能量。”

研究人員現(xiàn)在希望制造出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如膜或鼓面。他們還在研究如何利用高長寬比的納米技術(shù)制造超薄透鏡或反射鏡。Norte說：“這些技術(shù)可應(yīng)用于成像、傳感甚至太空任務(wù)，例如將反射帆送入星際空間的‘突破攝星’計劃。我們認為，這其實只是納米技術(shù)與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的新玩法的開始。”

審核編輯：彭菁