Nanomechanische Resonatoren – Wie Quantencomputer von diesen piezoelektrischen Geräten profitieren können

Miniaturisierung von Sensoren

Da unsere Technologie immer präziser wird, erfordert sie auch immer kleinere Geräte. Dies ist bei Halbleitertechnologien wie Chips bekannt. 2 nm (Nanometer) Lithographie wird derzeit von Branchenführern getestet wie TSMC.

Quelle: TSMC

Dies gilt auch für mechanische Teile, bei denen die Reaktion nicht primär elektrisch ist, wie etwa bei Halbleitern. Ein Schlüsselelement sind mechanische Resonatoren im Nanomaßstab. Aufgrund ihrer sehr geringen Größe eignen sich diese Geräte sehr gut für die Messung einzelner Partikel.

Bisher wurde zur Herstellung mechanischer Resonatoren nur eine begrenzte Anzahl nichtleitender Materialien verwendet. Dank der Arbeit von Forschern der Technischen Hochschule Chalmers (Schweden) und der Universität Magdeburg (Deutschland) hat sich dies nun geändert.

Diese Forschergruppe hat einen mechanischen Resonator aus einem neuen Material entwickelt, der beide hervorragende Resonanzeigenschaften und ist zudem piezoelektrisch. Diese Ergebnisse wurden in Advanced Materials unter dem Titel „Nanomechanische kristalline AlN-Resonatoren mit hohen Gütefaktoren für die Quanten-Optoelektromechanik¹".

Nanomechanische Resonatoren

Resonatoren sind Bauteile wie Stimmgabeln, die in der Lage sind, bei bestimmten Frequenzen zu schwingen. Im Fall der Stimmgabel schwingt sie bei ihrer Resonanzfrequenz und erzeugt eine Schallwelle in unserem Hörbereich.

Heute sind Resonatoren auf die Mikrometer- und Nanometerskala geschrumpft. Diese winzigen Resonatoren arbeiten mit viel höheren Frequenzen als große und sind extrem empfindlich. Das macht sie zu sehr guten Sensoren für Messungen im mikroskopischen Maßstab.

Mit einem solchen Nanoresonator ließen sich beispielsweise die Spins einzelner Protonen oder die Gravitation zwischen kleinen Massen messen.

Resonatoren nützlicher machen

Bislang werden die meisten der besten nanomechanischen Resonatoren aus zugbelastetem Siliziumnitrid hergestellt. Dieses Material weist außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf und eignet sich daher sehr gut für Resonatoren. Das Problem ist jedoch, dass Siliziumnitrid weder magnetisch noch piezoelektrisch ist und keinen Strom leitet.

Dies stellt ein Problem bei der Umwandlung der mechanischen Resonanz in ein elektrisches Signal oder bei der direkten Steuerung dar. Insgesamt können diese Siliziumnitrid-Resonatoren also nur dann mit anderen Systemen interagieren, wenn zusätzlich zum Siliziumnitrid ein weiteres Material hinzugefügt wird.

Das Problem besteht darin, dass ein solcher Zusatz die Leistung des Resonators direkt beeinträchtigt.

Stattdessen gelang es den Forschern, einen nanomechanischen Resonator aus zugbelastetem Aluminiumnitrid herzustellen. Dieses Material ist piezoelektrisch, weist aber auch hervorragende Eigenschaften als Resonator auf, gemessen an einer Kennzahl namens „mechanischer Qualitätsfaktor“ (Qm).

„Der Aluminiumnitrid-Resonator erreichte einen Qualitätsfaktor von über 10 Millionen. Dies deutet darauf hin, dass zugbelastetes Aluminiumnitrid eine leistungsstarke neue Materialplattform für Quantensensoren oder Quantenwandler sein könnte.

Witlef Wieczorek – Professor für Physik an der Fakultät für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften der Technischen Universität Chalmers.

Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die auf natürliche Weise mechanische Bewegungen in elektrische Signale und umgekehrt umwandeln.

Diese elektrische Ladung entsteht durch erzwungene Asymmetrie: In piezoelektrischen Materialien sind positive und negative Ladungen voneinander getrennt, bleiben aber in einem symmetrischen Muster ausgerichtet. Wird die Substanz mechanisch beansprucht, geht diese Symmetrie verloren, was zur Entstehung einer elektrischen Ladung führt.

Im Gegensatz zu früheren Resonatorversionen kann ein Aluminiumnitrid-Resonator direkt mit anderen Nanosystemen verbunden werden. Und er könnte zum direkten Auslesen in Sensoren verwendet werden.

Wie es gemacht wurde

Um diesen neuen Resonatortyp zu entwickeln, erzeugten die Forscher einen hochgespannten Dünnfilm aus Aluminiumnitrid mit einer Dicke von 295 nm, indem sie ihn auf einem Siliziumsubstrat wachsen ließen. Die Spannung betrug „etwa 1 GPa, das entspricht dem Balancieren von zwei Elefanten auf einem Fingernagel“.

Quelle: Fortgeschrittenes Material

Sie verwendeten ein neues Resonatordesign namens Trianguline, das wie ein Fraktal aussieht und aus einem dreieckigen Pad in der Mitte besteht.

Quelle: Fortgeschrittenes Material

Das Triangulin könnte besonders nützlich sein, da es bei Raumtemperatur eine einzige quantenkohärente Schwingung aufrechterhalten kann. Dies würde den Einsatz in der Quantentechnologie erheblich erleichtern.

Der nächste Schritt

Da es sich beim hier vorgestellten Aluminiumnitrid-Resonator um einen einzigartigen Prototyp handelt, ist davon auszugehen, dass dieser noch weiter verbessert werden kann.

Der erste Teil wird sein, es mit einem noch höheren Qualitätsfaktor herzustellen, um es empfindlicher und nützlicher zu machen. Der nächste Schritt wird sein, zu experimentieren und herauszufinden, wie man das Design zuverlässig anpassen kann, damit es Piezoelektrizität für Quantensensoranwendungen nutzen kann.

Anwendungen

Die offensichtlichste Anwendung wäre im Quantencomputing. Die meisten Quantencomputer funktionieren, indem sie Quantenbits (Qubits) gemessene Eigenschaften.

Qubits können dank zweier Quanteneigenschaften gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren: Überlagerung , Verschränkung.

• Überlagerung ermöglicht es Qubits, gleichzeitig 0 und 1 darzustellen, wodurch die verarbeitbare Datenmenge im Vergleich zu klassischen Bits exponentiell zunimmt.
• Verstrickung verknüpft Qubits so, dass der Zustand eines Qubits auch über große Entfernungen hinweg augenblicklich Auswirkungen auf ein anderes Qubit haben kann.

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

Qubits sind jedoch extrem fragil und ihre Eigenschaften zu messen ist keine leichte Aufgabe. Ein Resonator bei Raumtemperatur, der zudem piezoelektrisch ist, könnte sowohl hinsichtlich der Leistung als auch der Kosten bahnbrechende Veränderungen mit sich bringen.

Dies könnte dazu führen, dass Aluminiumnitrid-Resonatoren eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Quantum Processing Units spielen, die unsere aktuelle CPU ersetzen können. Ein Thema, das wir ausführlicher in „Quantum Processing Units (QPUs): Die Zukunft des Computing" und in "Der aktuelle Stand des Quantencomputings".

Die extreme Präzision der Resonatoren könnte weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten. In Nischenanwendungen sind geringes Rauschen und eine lange Kohärenzzeit erforderlich, beispielsweise bei Spiegelaufhängungen, optomechanischen Quantenkavitätengeräten oder nanomechanischen Sensoren, die alle für Nanogeräte wie LEDs, Photonik-Computer usw. nützlich sind.

Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wichtig piezoelektrische Materialien in zukünftigen Technologien sein könnten. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in einigen unserer Artikel zu diesen Materialien:

• Piezoelektrische Materialien – die häufigste unbekannte Energiequelle
• Durchbruch bei Kohlenstoffnitrid öffnet Tür zu großen Fortschritten in der Materialwissenschaft
• Fortschritte bei piezoelektrischen Verbundwerkstoffen ermöglichen die Nutzung und Interpretation kinetischer Energie
• Schrumpfen von Leiterplatten mit piezoelektrischen Stromwandlern

In Nanotechnologie investieren

Die Nanotechnologie entwickelt sich zu einem wachsenden Segment, das über die Herstellung von Halbleitern hinausgeht und Wundermaterialien für die Luft- und Raumfahrt, Biotechnologie, Energiebranche und Chemieindustrie verspricht.

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Oder schauen Sie sich unsere Liste der „Top 10 Nanotechnologie-Aktien" und Die 5 besten Unternehmen im Bereich Quantencomputing.

Resonator-Unternehmen

Angesichts der immer komplexeren Computer und Elektronik sind genaue Messungen immer wichtiger und in manchen Fällen eine Frage von Leben und Tod.

Dies ist der Schwerpunkt von SiTime, einem Unternehmen, das sich auf die genaue Zeitmessung mithilfe von Siliziumtechnologie spezialisiert hat. Diese Technologie ähnelt der Verwendung von Quarzkristallen in Uhren (eine 70 Jahre alte Technologie), weist jedoch eine bessere Leistung auf:

• Extreme Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen durch Stöße, Vibrationen, Temperaturschwankungen, Jitter und Rauschen.
• Geringe Größe und geringer Strombedarf.
• Programmierbar und höhere Leistung.

Quelle: SiTimes

SiTime ist das Unternehmen, das das Konzept der „präzisen Zeitmessung“ entwickelt hat. Dieses Segment wächst jährlich um 30–35 % und das Unternehmen verfügt über einen Marktanteil von 90 %.

Als „fabless“ Halbleiterunternehmen konzentriert sich SiTime auf die Entwicklung seiner IPs und überlässt die eigentliche Herstellung den Branchenführern – ein ähnliches Geschäftsmodell wie Nvidia für seine GPUs und KI-Chips.

Eine präzisere Zeitmessung durch präzise Zeitmessung wird unabdingbar, da sich neue Computer- und Telekommunikationstechnologien sehr schnell weiterentwickeln:

• 5G-Konnektivität ist 10x schneller als 4G
• Darüber hinaus arbeiten Rechenzentren heute zehnmal schneller als noch vor ein paar Jahren und dürften mit der zunehmenden Zahl an KI-Anwendungen noch schneller werden.
• Heutzutage, und schon vor der Einführung von Robotertaxis, ist in Autos und anderen Fahrzeugen viel mehr Elektronik eingebaut (alle Autonomiestufen über 2 erfordern eine präzise Zeitsteuerung).
  • SiTime bietet die „FailSafe“-Technologie an, bei der ein einzelnes Gerät Resonatoren, Oszillatoren, Taktgeber und erweiterte Sicherheitsmechanismen für die Zeitmessung in autonomen Fahrzeugen integriert. Serienlieferungen werden erst 2025 beginnen.
• Der Luft- und Raumfahrtsektor verzeichnet ein rasantes Wachstum. Unternehmen wie SpaceX sind dabei Vorreiter, sowohl was die Einführung neuer Materialien als auch neuer Anwendungen wie weltraumgestütztes Internet mit geringer Latenzzeit angeht.
  • Auch militärische Anwendungen nehmen zu. von Radaren bis hin zu Kommunikation und elektronischer Kriegsführung.

Von einem Startup mit geringen Einnahmen im Jahr 2019 (hauptsächlich aus dem Bereich Oszillatoren) bis hin zur Markteinführung seiner ersten Resonatoren im Jahr 2020 ist SiTime sehr schnell gewachsen und konnte gleichzeitig Umsatz, Bruttomarge und Betriebsmarge steigern.

Quelle: SiTimes

Dies folgte dem Gesamtwachstum des Serviceable Addressable Market (SAM) für SiTime von 1 Milliarde US-Dollar im Jahr 2021 auf 4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 als Teil des insgesamt größeren 10 Milliarden US-Dollar großen „Timing-Marktes“.

Quelle: SiTimes

SiTime hat seit seiner Gründung insgesamt über 500 Millionen US-Dollar in Forschung und Entwicklung investiert. Die Branche der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) tendiert zu einer Struktur, in der ein Unternehmen ein Segment fast vollständig dominiert, da die Eintrittsbarrieren hoch sind (F&E-Kosten, technisches Know-how, Patente) und die Kunden dazu neigen, den Branchenführern treu zu bleiben.

Damit ist SiTime neben anderen Unternehmen wie Broadcom der führende Anbieter von „Timing-MEMS“. (AVGO ) für Hochfrequenz oder Bosch für Trägheitssensoren (SiTime war ein Spin-off von Bosch, bevor es von der japanischen Firma Megachips gekauft und 2019 an der NASDAQ notiert wurde).

Da KI-Rechenzentren, der Einsatz von 5G, die Satellitentelekommunikation und selbstfahrende Fahrzeuge allesamt exponentiell wachsende Sektoren sind, ist SiTime gut aufgestellt, um selbst sehr schnell zu wachsen und zu einem weniger bekannten, aber entscheidenden Eckpfeiler der anhaltenden Konnektivitäts- und KI-Revolution zu werden.

Studienreferenz:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, LR, Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanische kristalline AlN-Resonatoren mit hohen Qualitätsfaktoren für die Quanten-Optoelektromechanik. Fortgeschrittene Materialien, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}