Ученые обнаружили новый механизм потери энергии в наноустройствах без физического контакта

Ученые из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне выяснили, что миниатюрные наномеханические резонаторы способны терять энергию даже в отсутствие физического контакта с другими объектами. Открытие может изменить представления о работе наноэлектронных устройств и помочь в создании более точных датчиков, систем связи и квантовых технологий. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Наномеханические резонаторы представляют собой микроскопические структуры, встроенные в электронные чипы. Несмотря на свои размеры, они способны совершать колебания с частотой от тысяч до миллиардов раз в секунду. Благодаря высокой чувствительности такие устройства используются для регистрации минимальных изменений массы, давления, силы и температуры, а также применяются в радиочастотных фильтрах, высокоточных системах синхронизации и исследованиях в области квантовой физики.

Во многих современных разработках резонаторы располагаются на минимальном расстоянии от других материалов. Это необходимо для передачи сигналов, проведения измерений или объединения с электронными и оптическими компонентами. До настоящего времени считалось, что ухудшение характеристик происходит только при непосредственном контакте элементов. Однако новое исследование показало, что потери энергии возникают даже тогда, когда устройства разделены небольшим воздушным промежутком.

Авторы работы установили, что при колебаниях резонатора рядом с некоторыми изоляционными материалами его энергия постепенно уменьшается. Это приводит к снижению так называемого коэффициента добротности — показателя, характеризующего, как долго устройство способно сохранять устойчивые колебания.

Причиной такого эффекта оказались микроскопические статические электрические заряды, находящиеся внутри самого резонатора. Во время вибрации они создают переменное электрическое поле, которое взаимодействует с расположенными поблизости диэлектриками, например диоксидом кремния или нитридом кремния. Даже незначительные электрические потери в этих материалах позволяют им поглощать часть энергии резонатора, несмотря на отсутствие прямого соприкосновения.

Подобное явление относится к эффекту бесконтактного трения, который ранее наблюдался лишь в отдельных специализированных физических экспериментах. Теперь ученым удалось продемонстрировать его влияние на реальные наномеханические устройства.

Сначала исследовательская группа разработала математическую модель, которая описала механизм скрытых энергетических потерь. Согласно расчетам, наиболее выраженный эффект должен проявляться у резонаторов с более низкой частотой колебаний. Для проверки гипотезы специалисты изготовили устройства из нитрида кремния, расположив их всего в 500 нанометрах над изолирующим слоем. Эксперимент подтвердил расчеты: именно низкочастотные колебания сопровождались наиболее заметной потерей энергии.

Во втором эксперименте ученые использовали более совершенные резонаторы, размещенные между миниатюрными оптическими структурами, разделенными зазорами всего в несколько сотен нанометров. По мере сокращения расстояния между элементами характеристики устройств заметно ухудшались. В отдельных случаях коэффициент добротности снижался почти в десять раз.

По мнению авторов исследования, полученные результаты имеют большое значение для дальнейшего развития наноэлектроники. Они показывают, что при проектировании сверхкомпактных устройств необходимо учитывать не только механический контакт между элементами, но и скрытые взаимодействия, возникающие на крайне малых расстояниях.

При этом обнаруженный эффект может найти и практическое применение. Исследователи полагают, что анализ подобных энергетических потерь позволит изучать электрические свойства ультратонких материалов, а также разрабатывать новые способы взаимодействия механических, электронных и оптических компонентов.

Специалисты считают, что по мере развития нанотехнологий понимание механизмов бесконтактной передачи энергии станет одним из ключевых факторов создания более компактных, чувствительных и надежных устройств для медицины, научных исследований, телекоммуникаций и перспективных квантовых вычислительных систем.

Читайте также: