Computing

Nanomechaniske resonatorer – Hvordan kvantecomputere kan drage fordel af disse piezoelektriske enheder

mm
Udgivet den
Opdateret den
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Miniaturisering af sensorer

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with 2 nm (nanometer) litografi, der nu testes af brancheledere som TSMC.

Kilde: TSMC

Dette gælder også for mekaniske dele, hvor reaktionen ikke primært er elektrisk, som i halvledere. Et nøgleelement er nano‑skala mekaniske resonatorer. Den meget lille størrelse af disse enheder gør dem meget nyttige til at måle enkelte partikler.

Indtil nu har kun et begrænset udvalg af ikke‑ledende materialer været brugt til at fremstille mekaniske resonatorer. Dette er nu ændret takket være arbejdet fra forskere ved Chalmers University of Technology (Sverige) og University of Magdeburg (Tyskland).

Denne gruppe forskere har skabt en mekanisk resonator af et nyt materiale, der har både fremragende resonansegenskaber og også er piezoelektrisk. Disse resultater blev offentliggjort i Advanced Materials under titlen “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1”.

Nanomechaniske resonatorer

Resonatorer er komponenter som stemmegafler, der kan vibrere ved specifikke frekvenser. I tilfældet med stemmegaflen oscillerer den ved sin resonansfrekvens og producerer en lydbølge inden for vores høreområde.

I dag er resonatorer blevet formindsket til mikrometer‑ og nanometerskala. Disse små resonatorer fungerer ved meget højere frekvenser end store, og er ekstremt følsomme. Dette gør dem til meget gode sensorer til mikroskopisk måling.

For eksempel kan en sådan nanoresonator bruges til at måle spin af enkelte protoner eller tyngdekraften mellem små masser.

Gøre resonatorer mere nyttige

Indtil nu er de fleste af de bedste nanomechaniske resonatorer lavet af trækspændt siliciumnitrid. Dette er et materiale med exceptionelle mekaniske egenskaber, hvilket gør det til en meget god resonator. Problemet er, at siliciumnitrid hverken er magnetisk, piezoelektrisk eller leder elektricitet.

Dette er et problem for at omdanne den mekaniske resonans til et elektrisk signal, eller at styre den direkte. Så samlet set kan disse siliciumnitrid‑resonatorer kun interagere med andre systemer, når et andet materiale påføres oven på siliciumnitriden.

Problemet er, at en sådan tilføjelse direkte forringer resonatorens ydeevne.

I stedet lykkedes det forskerne at skabe en nanomechanisk resonator lavet af trækspændt aluminiumnitrid. Dette materiale er piezoelektrisk, men viser også fremragende egenskaber som resonator, målt ved en karakteristik kaldet den “mekaniske kvalitetsfaktor” (Qm).

“Aluminiumnitrid‑resonatoren opnåede en kvalitetsfaktor på mere end 10 millioner. Dette antyder, at trækspændt aluminiumnitrid kan være en kraftfuld ny materialplatform for kvantesensorer eller kvantetransducere.

Witlef Wieczorek – Professor i fysik ved afdelingen for mikroteknologi og nanovidenskab på Chalmers University of Technology.”

Piezoelektriske materialer er en type materiale, der naturligt omdanner mekanisk bevægelse til elektriske signaler og omvendt.

Denne elektriske ladning produceres ved tvungen asymmetri: i piezoelektriske materialer separeres positive og negative ladninger fra hinanden, mens de forbliver justeret i et symmetrisk mønster. Når mekanisk stress påføres stoffet, går denne symmetri tabt, hvilket resulterer i produktionen af en elektrisk ladning.

Så i modsætning til tidligere versioner af resonatorer kan en aluminiumnitrid‑resonator direkte kobles til andre nanoskalasystemer. Og den kan bruges til direkte aflæsning i sensorer.

Hvordan den blev lavet

For at udvikle denne nye type resonator skabte forskerne en stærkt spændt (tens) tynd film af aluminiumnitrid på 295 nm, ved at vokse den på et siliciumsubstrat. Spændingen var “omtrent 1 GPa, svarende til at balancere to elefanter på en neglebånd”.

De brugte et nyt resonatordesign, kaldet trianguline, som ligner en fraktal lavet med en central trekantformet pude.

Trianguline kan være særligt nyttig, da den kan opretholde en enkelt kvantekoherent oscillation ved stuetemperatur. Dette ville gøre det meget lettere at anvende i kvanteteknologi.

Det næste skridt

Som en prototype af første slags er det sandsynligt, at den aluminiumnitrid‑resonator, der præsenteres her, stadig kan forbedres yderligere.

Den første del vil være at fremstille den med en endnu højere kvalitetsfaktor, så den bliver mere følsom og nyttig. Næste skridt vil være at eksperimentere og finde ud af, hvordan designet pålideligt kan tilpasses, så det kan udnytte piezoelektricitet til kvante‑sensorapplikationer.

Anvendelser

Den mest åbenlyse anvendelse ville være inden for kvantecomputing. De fleste kvantecomputere fungerer ved at måle kvantebits (qubits) egenskaber.

Qubits kan eksistere i flere tilstande samtidigt takket være to kvanteegenskaber: superposition og sammenfiltring.

  • Superposition allows qubits to represent both 0 and 1 at the same time, exponentially increasing the data that can be processed compared to classical bits.
  • Sammenfiltring links qubits in such a way that the state of one qubit can instantaneously affect another, even across great distances.

Disse egenskaber gør det muligt for QPU’er at løse meget komplekse problemer langt hurtigere end klassiske computere ved at udforske flere løsninger samtidigt.

Dog er qubits ekstremt skrøbelige, og det er ikke en nem opgave at måle deres egenskaber. En resonator ved stuetemperatur, som også er piezoelektrisk, kunne være en game changer, både med hensyn til ydeevne og omkostninger.

Dette kunne gøre aluminiumnitrid‑resonatorer til en nøglekomponent i udviklingen af Quantum Processing Units, der kan erstatte vores nuværende CPU, et emne vi diskuterede mere detaljeret i “Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing” og i “The Current State of Quantum Computing”.

Andre anvendelser kan stamme fra resonatorernes ekstreme præcision; i nicheapplikationer kræves lav støj og lang koherenstid, såsom spejlophæng, kvantekavitet‑optomekaniske enheder eller nanomechaniske sensorer, som alle er nyttige for nanodevices som LED’er, fotonikberegning osv.

Dette er et andet eksempel på, hvor vigtige piezoelektriske materialer kan være i fremtidige teknologier. Du kan lære mere om dette emne fra nogle af vores artikler, der dækker disse materialer:

Investering i nanoteknologi

Nanoteknologi bliver et voksende segment ud over fremstillingen af halvledere, med løfter om fantastiske materialer til luftfarts-, biotek-, energi- og kemibranchen.

Du kan investere i nanotekvirksomheder gennem mange mæglere, og du kan finde her, på securities.io, vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke nanotekvirksomheder, kan du også kigge på nanoteknologi‑ETF’er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), som vil give en mere diversificeret eksponering for at drage fordel af kvantecomputing & nanotek‑aktier.

Eller du kan se vores liste over “Top 10 Nanotechnology Stocks” og 5 Best Quantum Computing Companies.

Resonatorvirksomhed

(SITM )

Efterhånden som vores computere og elektronik bliver mere komplekse, bliver nøjagtige målinger endnu vigtigere, i nogle tilfælde en liv‑eller‑død‑situation.

Dette er fokus for SiTime, en virksomhed centreret omkring præcis tidsmåling ved brug af siliciumteknologi. Dette svarer til, hvordan kvarts krystaller bruges i ure (en 70 år gammel teknologi), men med overlegne ydeevner:

  • Ekstrem modstand mod forstyrrelser fra stød, vibrationer, temperaturændringer, jitter og støj.
  • Lille størrelse og lavt strømforbrug.
  • Programmerbar og højere ydeevne.

Kilde: SiTimes

SiTime er virksomheden, der er ansvarlig for at skabe konceptet “præcis timing”, et segment der vokser 30‑35% om året, og hvor virksomheden har en markedsandel på 90%.

Som en “fabless” halvledervirksomhed fokuserer SiTime på at udvikle sine IP’er og overlader den faktiske produktion til brancheledere, en forretningsmodel der ligner Nvidia for deres GPU’er og AI‑chips.

Mere præcis tidsmåling gennem præcis timing bliver et must, da nye computer‑ og telekommunikationsteknologier bevæger sig meget hurtigt:

  • 5G‑forbindelse er 10 gange hurtigere end 4G
  • Datacentre kører også 10 gange hurtigere end for et par år siden, og er klar til at accelerere med voksende AI‑applikationer.
  • Bilindustrien og andre køretøjer integrerer i dag meget mere elektronik, og før fremkomsten af robotaxis (alle autonominiveauer over 2 kræver præcis timing).
    • SiTime tilbyder “FailSafe”-teknologien, hvor den enkelte enhed integrerer resonatorer, oscillatorer, tidsstyring og avancerede sikkerhedsmekanismer til timing i autonome køretøjer. Masseleverancer starter først i 2025.
  • Luftfartssektoren vokser hurtigt med virksomheder som SpaceX, der leder vejen både med mere lanceret materiale og nye anvendelser som lavlatens rum‑baseret internet.

Fra en startup med lave indtægter i 2019 (primært fra oscillatorer) og lanceringen af sine første resonatorer i 2020, har SiTime vokset meget hurtigt, med samtidig stigning i omsætning, bruttoavance og driftsmargin.

Kilde: SiTimes

Dette fulgte den samlede vækst i Serviceable Addressable Market (SAM) for SiTime fra $1 mia. i 2021 til $4 mia. i 2024, som en del af det samlede større $10 mia. “timing‑marked”.

Kilde: SiTimes

SiTime har samlet investeret over $500 mio. i F&U siden opstarten. Mikro‑elektro‑mekaniske systemer (MEMS)-industrien har en tendens til at favorisere en struktur, hvor én virksomhed næsten fuldstændigt dominerer et segment, da indgangsbarriererne er høje (F&U‑omkostninger, teknisk ekspertise, patenter), og kunder har en tendens til at holde sig til branchelederne.

Dette placerer SiTime som leder inden for “timing MEMS”, sammen med andre virksomheder som Broadcom for radiofrekvens eller Bosch for inertialsensorer (SiTime var en spin‑off fra Bosch, før den blev købt af det japanske firma Megachips og noteret på NASDAQ i 2019).

Med AI‑datacentre, 5G‑udrulning, satellit‑telekommunikation og selvkørende køretøjer, som alle vokser eksponentielt, er SiTime godt positioneret til selv at vokse meget hurtigt og blive en mindre kendt, men vital hjørnesten i den igangværende forbindelses‑ og AI‑revolution.

Studierreference:

1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der har arbejdet med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu en aktieanalytiker og finansforfatter med fokus på innovation, markedscykler og geopolitik i sin publikation The Eurasian Century.