Computing

Nanomechanische Resonatoren – Wie Quantencomputing von diesen piezoelektrischen Bauteilen profitieren kann

mm
Veröffentlicht am
Aktualisiert am
Securities.io zu deinen bevorzugten Quellen auf Google hinzufügen
Offenlegung: Securities.io kann eine Vergütung erhalten, wenn Sie Links zu getesteten Produkten nutzen. Unsere redaktionellen Bewertungen bleiben davon unberührt. Wir sind kein registrierter Anlageberater; dies ist keine Anlageberatung. Lesen Sie unsere Affiliate-Offenlegung.

Miniaturisierung von Sensoren

Während unsere Technologie immer präziser wird, erfordert sie ebenfalls immer kleiner werdende Bauteile. Das ist besonders bei der Halbleitertechnologie wie Chips bekannt, bei der 2‑nm‑Lithografie (Nanometer), die derzeit von Branchenführern getestet wird wie TSMC.

Quelle: TSMC

Dies gilt auch für mechanische Bauteile, bei denen die Reaktion nicht primär elektrisch ist, wie bei Halbleitern. Ein Schlüsselelement sind nano‑skalige mechanische Resonatoren. Die sehr geringe Größe dieser Geräte macht sie äußerst nützlich für die Messung einzelner Teilchen.

Bisher wurde nur ein begrenzter Satz nicht‑leitender Materialien zur Herstellung mechanischer Resonatoren verwendet. Das hat sich nun dank der Arbeit von Forschern der Chalmers University of Technology (Schweden) und der Universität Magdeburg (Deutschland) geändert.

Diese Forschergruppe hat einen mechanischen Resonator aus einem neuen Material geschaffen, das sowohl hervorragende Resonanzeigenschaften besitzt als auch piezoelektrisch ist. Diese Ergebnisse wurden in *Advanced Materials* unter dem Titel „Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1“ veröffentlicht.

Nanomechanische Resonatoren

Resonatoren sind Bauteile wie Stimmgabeln, die bei bestimmten Frequenzen schwingen können. Im Fall der Stimmgabel schwingt sie bei ihrer Resonanzfrequenz und erzeugt einen Schall, den wir hören können.

Heute wurden Resonatoren auf Mikro‑ und Nanometerskala verkleinert. Diese winzigen Resonatoren arbeiten bei deutlich höheren Frequenzen als große und sind extrem empfindlich. Das macht sie zu sehr guten Sensoren für Messungen im mikroskopischen Maßstab.

Ein solcher Nano‑Resonator kann beispielsweise verwendet werden, um die Spins einzelner Protonen zu messen oder die Gravitation zwischen kleinen Massen zu bestimmen.

Resonatoren nützlicher machen

Bisher werden die meisten der besten nanomechanischen Resonatoren aus spannungsgepresstem Siliziumnitrid hergestellt. Dieses Material besitzt außergewöhnliche mechanische Eigenschaften und eignet sich daher hervorragend als Resonator. Das Problem ist, dass Siliziumnitrid weder magnetisch noch piezoelektrisch ist und keinen Strom leitet.

Das ist ein Problem, wenn man die mechanische Resonanz in ein elektrisches Signal umwandeln oder sie direkt steuern möchte. Insgesamt können diese Siliziumnitrid‑Resonatoren nur mit anderen Systemen interagieren, wenn ein weiteres Material darauf aufgebracht wird.

Ein solches Zusatzmaterial beeinträchtigt jedoch direkt die Leistungsfähigkeit des Resonators.

Stattdessen gelang es den Forschern, einen nanomechanischen Resonator aus spannungsgepresstem Aluminium‑Nitrat zu erzeugen. Dieses Material ist piezoelektrisch, zeigt aber gleichzeitig exzellente Eigenschaften als Resonator, gemessen an einem Kennwert, der als „mechanischer Qualitätsfaktor“ (Qm) bezeichnet wird.

„Der Aluminium‑Nitrat‑Resonator erreichte einen Qualitätsfaktor von mehr als 10 Millionen. Dies deutet darauf hin, dass spannungsgepresstes Aluminium‑Nitrat eine leistungsfähige neue Materialplattform für Quantensensoren oder Quantentransducer sein könnte.

Witlef Wieczorek – Professor für Physik an der Abteilung für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften an der Chalmers University of Technology.“

Piezoelektrische Materialien sind eine Materialart, die mechanische Bewegung natürlich in elektrische Signale umwandelt und umgekehrt.

Diese elektrische Ladung entsteht durch erzwungene Asymmetrie: In piezoelektrischen Materialien werden positive und negative Ladungen voneinander getrennt, während sie in einem symmetrischen Muster ausgerichtet bleiben. Wird mechanischer Stress auf die Substanz ausgeübt, geht diese Symmetrie verloren, was zur Erzeugung einer elektrischen Ladung führt.

Im Gegensatz zu früheren Resonator‑Versionen kann ein Aluminium‑Nitrat‑Resonator also direkt mit anderen nanoskaligen Systemen verbunden werden. Und er könnte für direkte Auslesungen in Sensoren verwendet werden.

Wie es hergestellt wurde

Um diesen neuen Resonatortyp zu entwickeln, erzeugten die Forscher einen stark beanspruchten (gespannten) Dünnschicht‑Film aus Aluminium‑Nitrat mit einer Dicke von 295 nm, indem sie ihn auf einem Silizium‑Substrat wuchsen ließen. Die Spannung betrug „etwa 1 GPa, das Äquivalent dazu, zwei Elefanten auf einem Fingernagel zu balancieren“.

Sie nutzten ein neues Resonator‑Design, das „trianguline“ genannt wird und wie ein Fraktal mit einer zentralen dreieckigen Grundfläche aussieht.

Das Trianguline könnte besonders nützlich sein, da es bei Raumtemperatur eine einzelne quanten‑kohärente Oszillation aufrechterhalten kann. Das würde die Anwendung in Quantentechnologien erheblich vereinfachen.

Der nächste Schritt

Als Prototyp erster Art ist es wahrscheinlich, dass der hier vorgestellte Aluminium‑Nitrat‑Resonator noch weiter verbessert werden kann.

Der erste Schritt wird sein, ihn mit einem noch höheren Qualitätsfaktor zu fertigen, um ihn empfindlicher und nützlicher zu machen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, zu experimentieren und herauszufinden, wie das Design zuverlässig angepasst werden kann, um die Piezoelektrizität für Quantensensor‑Anwendungen zu nutzen.

Anwendungen

Die offensichtlichste Anwendung wäre im Quantencomputing. Die meisten Quantencomputer arbeiten, indem die Eigenschaften der Quantenbits (Qubits) gemessen werden.

Qubits können dank zweier Quanten‑Eigenschaften gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren: Superposition und Verschränkung.

  • Superposition ermöglicht es Qubits, sowohl 0 als auch 1 gleichzeitig darzustellen, wodurch die verarbeitbaren Daten exponentiell im Vergleich zu klassischen Bits steigen.
  • Verschränkung verknüpft Qubits so, dass der Zustand eines Qubits den eines anderen sofort beeinflussen kann, selbst über große Entfernungen hinweg.

Diese Eigenschaften erlauben es QPUs, hochkomplexe Probleme viel schneller zu lösen als klassische Computer, indem sie gleichzeitig mehrere Lösungen untersuchen.

Allerdings sind Qubits extrem empfindlich, und ihre Eigenschaften zu messen ist nicht einfach. Ein bei Raumtemperatur funktionierender Resonator, der zudem piezoelektrisch ist, könnte ein Wendepunkt sein – sowohl in Bezug auf Leistung als auch auf Kosten.

Dies könnte Aluminium‑Nitrat‑Resonatoren zu einem Schlüsselbestandteil bei der Entwicklung von Quantum Processing Units (QPUs) machen, die unsere heutigen CPUs ersetzen könnten – ein Thema, das wir ausführlicher in „Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing“ und in „The Current State of Quantum Computing “ behandelt haben.

Weitere Anwendungen könnten sich aus der extremen Präzision der Resonatoren ergeben; in Nischen‑Anwendungen, bei denen niedriger Rauschpegel und lange Kohärenzzeiten erforderlich sind, etwa bei Spiegelaufhängungen, quanten‑optomechanischen Kavitäten oder nanomechanischen Sensoren – alles nützlich für Nanogeräte wie LEDs, photonische Rechner usw.

Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wichtig piezoelektrische Materialien für zukünftige Technologien sein könnten. Mehr zu diesem Thema erfahren Sie in einigen unserer Artikel, die diese Materialien behandeln:

Investitionen in Nanotechnologie

Nanotechnologie wird zu einem wachsenden Segment jenseits der Halbleiterfertigung und verspricht Wunder‑Materialien für die Luft‑ und Raumfahrt, Biotechnologie, Energie‑ und Chemieindustrie.

Sie können in Nanotech‑Unternehmen über zahlreiche Broker investieren; hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie in vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht einzelne Nanotech‑Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in Nanotechnologie‑ETFs wie den ProShares Nanotechnology ETF (TINY) oder den Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) investieren, die eine diversifiziertere Exponierung bieten, um vom Wachstum im Bereich Quantencomputing und Nanotech‑Aktien zu profitieren.

Oder Sie können unsere Liste der „Top 10 Nanotechnology Stocks“ und der 5 Best Quantum Computing Companies einsehen.

Resonator‑Unternehmen

SITM Preisdiagramm

Während unsere Computer und Elektronik immer komplexer werden, wird die genaue Messung immer wichtiger – in manchen Fällen sogar eine Frage von Leben und Tod.

Dies ist das Kerngebiet von SiTime (SITM ), einem Unternehmen, das sich auf präzise Zeitmessung mittels Siliziumtechnologie konzentriert. Ähnlich wie Quarz‑Kristalle in Uhren (eine 70‑jährige Technologie) verwendet werden, jedoch mit überlegenen Leistungen:

  • Extrem hohe Resistenz gegenüber Stößen, Vibrationen, Temperaturschwankungen, Jitter und Rauschen.
  • Kleine Baugröße und geringer Energieverbrauch.
  • Programmierbarkeit und höhere Leistungsfähigkeit.

Quelle: SiTimes

SiTime ist das Unternehmen, das das Konzept des „Precision Timing“ (Präzisionszeitmessung) geschaffen hat – ein Segment, das jährlich um 30‑35 % wächst und in dem das Unternehmen einen Marktanteil von 90 % hält.

Als „fabless“ Halbleiterunternehmen konzentriert sich SiTime auf die Entwicklung seiner IPs und überlässt die eigentliche Fertigung führenden Herstellern – ein Geschäftsmodell, das dem von Nvidia (NVDA ) für GPUs und KI‑Chips ähnelt.

Präzisere Zeitmessung durch Precision Timing wird zunehmend unverzichtbar, da neue Computer‑ und Telekommunikationstechnologien immer schneller werden:

  • 5G‑Konnektivität ist zehnmal schneller als 4G.
  • Rechenzentren arbeiten ebenfalls zehnmal schneller als noch vor wenigen Jahren und werden durch wachsende KI‑Anwendungen weiter beschleunigt.
  • Automobil- und andere Fahrzeuge integrieren heute deutlich mehr Elektronik, und vor dem Aufkommen von Robotaxis (alle Autonomie‑Stufen über 2 benötigen Präzisionszeitmessung) wird dies noch wichtiger.
    • SiTime bietet die „FailSafe“-Technologie, bei der ein einzelnes Gerät Resonatoren, Oszillatoren, Taktung und fortschrittliche Sicherheitsmechanismen für die Zeitmessung in autonomen Fahrzeugen integriert. Serienlieferungen starten erst 2025.
  • Der Luft‑ und Raumfahrtsektor wächst schnell, mit Unternehmen wie SpaceX, die sowohl mehr Material ins All bringen als auch neue Anwendungen wie latenzarme weltraumbasierte Internetdienste entwickeln.

Aus einem Startup mit geringen Einnahmen im Jahr 2019 (hauptsächlich aus Oszillatoren) und dem Start seiner ersten Resonatoren im Jahr 2020 ist SiTime sehr schnell gewachsen und hat gleichzeitig Umsatz, Bruttomarge und operative Marge gesteigert.

Quelle: SiTimes

Dies spiegelt das Gesamtwachstum des Serviceable Addressable Market (SAM) für SiTime wider, das von 1 Mrd. $ im Jahr 2021 auf 4 Mrd. $ im Jahr 2024 gestiegen ist, als Teil des insgesamt größeren 10‑Mrd‑$‑„Timing‑Marktes“.

Quelle: SiTimes

SiTime hat seit seiner Gründung kumulativ über 500 Mio. $ in Forschung & Entwicklung investiert. Die Mikro‑Elektro‑Mechanischen Systeme (MEMS)‑Industrie neigt dazu, eine Struktur zu begünstigen, in der ein Unternehmen fast vollständig ein Segment dominiert, da die Eintrittsbarrieren hoch sind (F&E‑Kosten, technisches Know‑how, Patente) und Kunden dazu tendieren, bei den Branchenführern zu bleiben.

Damit steht SiTime an der Spitze der „Timing‑MEMS“, neben anderen Unternehmen wie Broadcom (AVGO ) für Hochfrequenz oder Bosch für Trägheitssensoren (SiTime war ein Spin‑off von Bosch, bevor es 2019 von dem japanischen Unternehmen Megachips übernommen und an der NASDAQ notiert wurde).

Mit KI‑Rechenzentren, 5G‑Ausbau, Satelliten‑Telekommunikation und selbstfahrenden Fahrzeugen – alles stark wachsende Sektoren – ist SiTime gut positioniert, um selbst sehr schnell zu wachsen und zu einem weniger bekannten, aber wesentlichen Eckpfeiler der fortschreitenden Konnektivitäts‑ und KI‑Revolution zu werden.

Studienreferenz:

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 ist ein ehemaliger Biochemie‑Forscher, der in der genetischen Analyse und in klinischen Studien gearbeitet hat. Er ist jetzt Aktienanalyst und Finanzautor mit einem Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Veröffentlichung 'The Eurasian Century'.