新型室溫微芯片傳感器可降低建造量子設(shè)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)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(jī)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(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(dǎo)航和傳感領(lǐng)域都有重大意義。

當(dāng)溫度在絕對零度(約-273.15℃)以上時，由于電荷載流子的熱運(yùn)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(dá)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(dǎo)者之一理查德·諾特表示，蜘蛛網(wǎng)是很好的振動探測器，因?yàn)橹┲胪ㄟ^感知網(wǎng)內(nèi)的振動來捕獵，而非風(fēng)這樣的外部因素。“何不搭乘數(shù)百萬年進(jìn)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(fù)雜的蜘蛛網(wǎng)，并建立了計算機(jī)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(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)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(qiáng)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(jì)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(yùn)動，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將近一個世紀(jì)。”諾特說。(科技日報實(shí)習(xí)記者 張佳欣)

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