Resonadores nanomecánicos – Cómo la computación cuántica puede beneficiarse de estos dispositivos piezoeléctricos

Miniaturizando sensores

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with Litografía de 2 nm (nanómetros) que ahora está siendo probada por líderes de la industria como TSMC.

Fuente: TSMC

Esto también es cierto para las piezas mecánicas, donde la reacción no es principalmente eléctrica, como en los semiconductores. Un elemento clave son los resonadores mecánicos a escala nanométrica. El tamaño muy pequeño de estos dispositivos los hace muy útiles para medir partículas individuales.

Hasta ahora, solo se había utilizado un conjunto limitado de materiales no conductores para producir resonadores mecánicos. Esto ha cambiado gracias al trabajo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) y la Universidad de Magdeburgo (Alemania).

This group of researchers has created a mechanical resonator from a new material, that has ambos excellent resonation properties and is also piezoelectric. These results were published in Advanced Materials, under the title “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics¹”.

Resonadores nanomecánicos

Los resonadores son componentes como diapasones que pueden vibrar a frecuencias específicas. En el caso del diapasón, oscila a su frecuencia de resonancia, produciendo una onda sonora dentro del rango audible.

Hoy los resonadores se han reducido a escala micrométrica y nanométrica. Estos diminutos resonadores funcionan a frecuencias mucho más altas que los grandes y son extremadamente sensibles. Esto los convierte en excelentes sensores para mediciones a escala microscópica.

For example, such a nanoresonator can be used to measure the spins of single-proton or the gravity between small masses.

Haciendo los resonadores más útiles

Hasta ahora, la mayoría de los mejores resonadores nanomecánicos se fabrican con nitruro de silicio bajo tensión. Este es un material con cualidades mecánicas excepcionales, lo que lo convierte en un muy buen resonador. El problema es que el nitruro de silicio no es magnético, ni piezoeléctrico, y no conduce electricidad.

Esto representa un problema para convertir la resonancia mecánica en una señal eléctrica, o para controlarla directamente. Por lo tanto, en general, estos resonadores de nitruro de silicio solo pueden interactuar con otros sistemas cuando se añade otro material sobre el nitruro de silicio.

El problema es que dicha adición perjudica directamente el rendimiento del resonador.

En su lugar, los investigadores lograron crear un resonador nanomecánico hecho de nitruro de aluminio bajo tensión. Este material es piezoeléctrico, pero también muestra excelentes propiedades como resonador, medido por una característica llamada “factor de calidad mecánica” (Qm).

“El resonador de nitruro de aluminio alcanzó un factor de calidad de más de 10 millones. Esto sugiere que el nitruro de aluminio bajo tensión podría ser una poderosa nueva plataforma de materiales para sensores cuánticos o transductores cuánticos.

Witlef Wieczorek – Profesor de Física en el Departamento de Microtecnología y Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Chalmers.”

Los materiales piezoeléctricos son un tipo de material que convierten naturalmente el movimiento mecánico en señales eléctricas y viceversa.

Esta carga eléctrica se produce mediante una asimetría forzada: en los materiales piezoeléctricos, las cargas positivas y negativas se separan entre sí, mientras permanecen alineadas en un patrón simétrico. Cuando se aplica una tensión mecánica a la sustancia, se pierde esta simetría, lo que resulta en la generación de una carga eléctrica.

Así que, a diferencia de versiones anteriores de resonadores, un resonador de nitruro de aluminio puede conectarse directamente con otros sistemas a nanoescala. Y podría usarse para lecturas directas en sensores.

Cómo se hizo

Para desarrollar este nuevo tipo de resonador, los investigadores crearon una película delgada de nitruro de aluminio altamente tensada (tensa) de 295 nm de espesor, al crecerla sobre un sustrato de silicio. La tensión era “aproximadamente 1GPa, el equivalente a equilibrar dos elefantes sobre una uña”.

Fuente: Advanced Material

Utilizaron un nuevo diseño de resonador, llamado trianguline, que se asemeja a una fractal hecha con una almohadilla central en forma de triángulo.

Fuente: Advanced Material

El trianguline podría ser especialmente útil ya que puede mantener una oscilación cuántica coherente única a temperatura ambiente. Esto facilitaría mucho su uso en la tecnología cuántica.

The Next Step

Como prototipo pionero, es probable que el resonador de nitruro de aluminio presentado aquí aún pueda mejorarse.

La primera parte será fabricarlo con un factor de calidad aún más alto, haciéndolo más sensible y útil. El siguiente paso será experimentar y descubrir cómo adaptar de manera fiable el diseño para que pueda usar la piezoelectricidad en aplicaciones de detección cuántica.

Applications

La aplicación más obvia sería en la computación cuántica. La mayoría de los ordenadores cuánticos funcionan midiendo las propiedades de los bits cuánticos (qubits).

Los qubits pueden existir en múltiples estados simultáneamente gracias a dos propiedades cuánticas: superposición y entrelazamiento.

• Superposición permite a los qubits representar tanto 0 como 1 al mismo tiempo, aumentando exponencialmente los datos que pueden procesarse en comparación con los bits clásicos.
• Entrelazamiento vincula a los qubits de tal manera que el estado de un qubit puede afectar instantáneamente a otro, incluso a grandes distancias.

Estas propiedades permiten a las QPU resolver problemas altamente complejos mucho más rápido que los ordenadores clásicos al explorar múltiples soluciones simultáneamente.

Sin embargo, los qubits son extremadamente frágiles, y medir sus propiedades no es una tarea fácil. Un resonador a temperatura ambiente que también sea piezoeléctrico podría ser un cambio de juego, tanto en términos de rendimiento como de costos.

Esto podría convertir a los resonadores de nitruro de aluminio en una pieza clave en el desarrollo de Unidades de Procesamiento Cuántico capaces de reemplazar nuestra CPU actual, un tema que discutimos con más detalle en “Unidades de Procesamiento Cuántico (QPUs): El futuro de la computación” y en “El estado actual de la computación cuántica”.

Otras aplicaciones podrían derivarse de la extrema precisión de los resonadores; en aplicaciones de nicho se requieren bajo ruido y larga coherencia, como suspensiones de espejos, dispositivos optomecánicos de cavidad cuántica o sensores nanomecánicos, todos útiles para nanodispositivos como LEDs, computación fotónica, etc.

Este es otro ejemplo de cuán importantes podrían ser los materiales piezoeléctricos en tecnologías futuras. Puedes aprender más sobre este tema en algunos de nuestros artículos que cubren estos materiales:

• Materiales piezoeléctricos – La fuente de energía desconocida más común
• El avance del nitruro de carbono abre la puerta a importantes avances en la ciencia de materiales
• Avances en compuestos piezoeléctricos permiten aprovechar e interpretar la energía cinética
• Reduciendo placas de circuito impreso con convertidores de energía piezoeléctrica

Investing In Nanotechnology

La nanotecnología se está convirtiendo en un segmento en crecimiento más allá de la fabricación de semiconductores, con promesas de materiales asombrosos para las industrias aeroespacial, biotecnológica, energética y química.

Puedes invertir en empresas de nanotecnología a través de muchos corredores, y puedes encontrar aquí, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE.UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.

Si no estás interesado en seleccionar empresas específicas de nanotecnología, también puedes considerar ETFs de nanotecnología como el ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o el Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) que ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar la computación cuántica y las acciones de nanotecnología.

O puedes consultar nuestra lista de “Top 10 acciones de nanotecnología” y 5 mejores empresas de computación cuántica.

Resonator Company

A medida que nuestras computadoras y electrónica se vuelven más complejas, contar con mediciones exactas se vuelve aún más importante, en algunos casos una cuestión de vida o muerte.

Este es el enfoque de SiTime, una empresa centrada en la medición precisa del tiempo usando tecnología de silicio. Esto es similar a cómo se usan los cristales de cuarzo en los relojes (una tecnología de 70 años), pero con rendimientos superiores:

• Resistencia extrema a interferencias de golpes, vibraciones, cambios de temperatura, jitter y ruido.
• Tamaño pequeño y bajos requerimientos de energía.
• Programable y de mayor rendimiento.

Fuente: SiTimes

SiTime es la empresa responsable de crear el concepto de “cronometraje de precisión”, un segmento que crece un 30-35% anual y en el que la compañía tiene una cuota de mercado del 90%.

Como empresa de semiconductores “fabless”, SiTime se centra en desarrollar sus IP, dejando la fabricación real a líderes de la industria, un modelo de negocio similar al de Nvidia para sus GPU y chips de IA.

Una medición de tiempo más precisa mediante cronometraje de precisión se está convirtiendo en una necesidad, ya que las nuevas tecnologías de computación y telecomunicaciones avanzan muy rápido:

• La conectividad 5G es 10 veces más rápida que la 4G
• Los centros de datos también operan 10 veces más rápido que hace unos años, y están listos para acelerar con el crecimiento de aplicaciones de IA.
• Los automóviles y otros vehículos están incorporando mucho más electrónica hoy, y antes de la llegada de los robotaxis (todos los niveles de autonomía superiores al 2 necesitan cronometraje de precisión).
  • SiTime ofrece la tecnología “FailSafe”, donde el dispositivo único integra resonadores, osciladores, temporización y mecanismos de seguridad avanzados para la sincronización en vehículos autónomos. Los envíos a gran escala comenzarán solo en 2025.
• El sector aeroespacial está creciendo rápidamente con empresas como SpaceX liderando tanto en mayor cantidad de material lanzado como en nuevas aplicaciones como Internet espacial de baja latencia.
  • Las aplicaciones militares también están tomando impulso, de radares a comunicaciones y guerra electrónica.

Desde una startup con pocos ingresos en 2019 (principalmente de osciladores) y lanzando sus primeros resonadores en 2020, SiTime ha crecido muy rápido, aumentando simultáneamente los ingresos, el margen bruto y el margen operativo.

Fuente: SiTimes

Esto siguió al crecimiento general del Mercado Direccionable Servible (SAM) para SiTime, de $1 mil millones en 2021 a $4 mil millones en 2024, como parte del mercado de temporización más amplio de $10 mil millones.

Fuente: SiTimes

SiTime ha invertido más de $500 M en I&D de forma acumulada desde su creación. La industria de sistemas microelectromecánicos (MEMS) tiende a favorecer una estructura donde una empresa domina casi por completo un segmento, ya que las barreras de entrada son altas (costos de I&D, experiencia técnica, patentes) y los clientes tienden a mantenerse con los líderes de la industria.

Esto coloca a SiTime como líder de “MEMS de temporización”, junto a otras compañías como Broadcom (AVGO ) para radiofrecuencia o Bosch para sensores inerciales (SiTime fue una escisión de Bosch, antes de ser comprada por la empresa japonesa Megachips y cotizar en NASDAQ en 2019).

Con los centros de datos de IA, el despliegue de 5G, la telecomunicación satelital y los vehículos autónomos, todos sectores de crecimiento exponencial, SiTime está bien posicionada para crecer muy rápidamente y convertirse en una piedra angular menos conocida pero vital de la revolución de conectividad e IA en curso.

Study Reference:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Resonadores cristalinos nanomecánicos de AlN con factores de calidad altos para la optoelectro‑mecánica cuántica. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}