Laskenta

Nanomekaaniset resonanssit – Kuinka kvanttilaskenta voi hyötyä näistä piezoelektrisistä laitteista

mm
Julkaistu
Päivitetty
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Ilmoitus: Securities.io voi saada korvauksen, kun käytät arvioimiemme tuotteiden linkkejä. Tämä ei vaikuta toimituksellisiin arvioihimme. Emme ole rekisteröity sijoitusneuvoja; tämä ei ole sijoitusneuvontaa. Lue kumppanuusilmoituksemme.

Antureiden miniaturisointi

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with 2 nm (nanometri) litografiaa testataan nyt alan johtajien toimesta kuten TSMC.

Lähde: TSMC

Tämä pätee myös mekaanisiin osiin, joissa reaktio ei ole pääasiassa sähköinen, kuten puolijohteissa. Keskeinen elementti on nanoskaalaiset mekaaniset resonanssit. Näiden laitteiden erittäin pieni koko tekee niistä erittäin hyödyllisiä yksittäisten hiukkasten mittaamiseen.

Aiemmin mekaanisten resonanssien valmistamiseen on käytetty vain rajallista määrää ei-johtavia materiaaleja. Tämä on nyt muuttunut kiitos Chalmersin teknillisen yliopiston (Ruotsi) ja Magdeburgin yliopiston (Saksa) tutkijoiden työn.

Tämä tutkijaryhmä on luonut mekaanisen resonanssin uudesta materiaalista, jolla on sekä erinomaiset resonanssipiirteet että se on myös piezoelektrinen. Nämä tulokset julkaistiin Advanced Materials -lehdessä otsikolla “Nanomekaaniset kiteiset AlN-resonanssit, joissa on korkeat laatukertoimet kvanttinen optoelektromekaniikka1”.

Nanomekaaniset resonanssit

Resonanssit ovat komponentteja, kuten virityspuikkoja, jotka voivat värähdellä tietyillä taajuuksilla. Virityspuikon tapauksessa se värähtelee resonanssitaajuudellaan, tuottaen ääniaallon, joka on kuuloalueemme sisällä.

Nykyään resonansseja on pienennetty mikrometri- ja nanometrimittakaavaan. Nämä pienet resonanssit toimivat paljon korkeammilla taajuuksilla kuin suuret, ja ovat erittäin herkkiä. Tämä tekee niistä erinomaisia antureita mikroskooppisen mittauksen tasolla.

Esimerkiksi tällaista nanoresonanssia voidaan käyttää yksittäisen protonin spinin tai pienten massojen välisen gravitaation mittaamiseen.

Resonanssien hyödyllisyyden parantaminen

Aiemmin suurin osa parhaista nanomekaanisista resonansseista on valmistettu venytetystä piinitridiidistä. Tämä materiaali omaa poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet, mikä tekee siitä erinomaisen resonanssin. Ongelma on, että piinitridiidi ei ole magneettinen, eikä piezoelektrinen, eikä se johda sähköä.

Tämä on ongelma mekaanisen resonanssin muuntamisessa sähköiseksi signaaliksi tai sen suoraan ohjaamisessa. Näin ollen nämä piinitridiidi-resonanssit voivat olla vuorovaikutuksessa muiden järjestelmien kanssa vain, kun piinitridiidin päälle lisätään toinen materiaali.

Ongelma on, että tällainen lisäys heikentää suoraan resonanssin suorituskykyä.

Sen sijaan tutkijat onnistuivat luomaan nanomekaanisen resonanssin, joka on valmistettu venytetystä alumiini-nitridistä. Tämä materiaali on piezoelektrinen, mutta se osoittaa myös erinomaiset resonanssipiirteet, mitattuna ominaisuudella, jota kutsutaan “mekaaniseksi laatukertoimeksi” (Qm).

“Alumiini-nitridi-resonanssi saavutti laatukertoimen, joka ylitti 10 miljoonaa. Tämä viittaa siihen, että venytetty alumiini-nitridi voisi olla voimakas uusi materiaalialusta kvanttiantureille tai kvanttitransduktoreille.

Witlef Wieczorek – fysiikan professori Mikroteknologian ja nanotieteen osastolla Chalmersin teknillisessä yliopistossa.”

Piezoelektriset materiaalit ovat tyyppi materiaalia, joka luonnollisesti muuntaa mekaanisen liikkeen sähköisiksi signaaleiksi ja päinvastoin.

Tämä sähkövaraus syntyy pakotetun epäsymmetrian: seurauksena; piezoelektrisissä materiaaleissa positiiviset ja negatiiviset varaukset erotetaan toisistaan, säilyttäen silti symmetrisen rakenteen. Kun aineeseen kohdistetaan mekaanista rasitusta, tämä symmetria katoaa, mikä johtaa sähkövarauksen syntymiseen.

Toisin kuin aiemmat resonanssiversiot, alumiini-nitridi-resonanssi voidaan liittää suoraan muihin nanoskaalaisiin järjestelmiin. Sitä voitaisiin käyttää suoraan antureiden lukemiseen.

Miten se tehtiin

Kehittääkseen tämän uuden tyyppisen resonanssin, tutkijat loivat erittäin jännitetyn (kireän) alumiini-nitridi -ohutkalvon, jonka paksuus on 295 nm, kasvattamalla sen piisubstraatin päälle. Jännitys oli “noin 1 GPa, mikä vastaa kahden elefantin tasapainottamista sormen kynnen päällä”.

He käyttivät uutta resonanssisuunnittelua, nimeltään trianguline, joka näyttää fraktaalilta, jossa on keskellä kolmion muotoinen alusta.

Trianguline voisi olla erityisen hyödyllinen, koska se pystyy ylläpitämään yhtä kvanttikoherenttia värähtelyä huoneenlämmössä. Tämä tekisi sen käyttämisestä kvanttiteknologiassa paljon helpompaa.

Seuraava askel

Ensimmäisenä tällaisena prototyyppinä on todennäköistä, että tässä esitelty alumiini-nitridi-resonanssi voidaan edelleen parantaa.

Ensimmäinen vaihe on valmistaa se vielä korkeammalla laatukertoimella, mikä tekee siitä herkemmän ja hyödyllisemmän. Seuraava askel on kokeilla ja selvittää, miten suunnitelma voidaan luotettavasti mukauttaa niin, että se hyödyntää piezoelektrisyyttä kvanttihavainnointisovelluksissa.

Sovellukset

Ilmeisin sovellus olisi kvanttilaskennassa. Useimmat kvanttitietokoneet toimivat mittaamalla kvanttibittejä (qubits) ominaisuuksia.

Qubitit voivat olla samanaikaisesti useissa tiloissa kahden kvanttipiirteen: superpositio ja lomittuminen.

  • Superpositio mahdollistaa qubitien edustaa sekä 0 että 1 samanaikaisesti, mikä eksponentiaalisesti lisää prosessoitavan datan määrää verrattuna perinteisiin bitteihin.
  • Lomittuminen yhdistää qubitit siten, että yhden qubitin tila voi välittömästi vaikuttaa toiseen, jopa suurilla etäisyyksillä.

Nämä ominaisuudet mahdollistavat QPU:iden ratkaista erittäin monimutkaisia ongelmia paljon nopeammin kuin perinteiset tietokoneet tutkimalla useita ratkaisuja samanaikaisesti.

Kuitenkin qubitit ovat äärimmäisen haavoittuvia, ja niiden ominaisuuksien mittaaminen ei ole helppoa. Huoneenlämpöinen resonanssi, joka on myös piezoelektrinen, voisi olla pelin muuttaja sekä suorituskyvyn että kustannusten osalta.

Tämä voisi tehdä alumiini-nitridi-resonansseista keskeisen osan kvanttiprosessointiyksiköiden (QPU) kehityksessä, jotka pystyvät korvaamaan nykyisen CPU:n, aiheesta keskustelimme tarkemmin “Kvanttiprosessointiyksiköt (QPU): Laskennan tulevaisuus” ja “Kvanttilaskennan nykytilanne”.

Muut sovellukset voivat perustua resonanssien äärimmäiseen tarkkuuteen; erikoissovelluksissa vaaditaan vähäistä kohinaa ja pitkää koherenssiaikaa, kuten peilijärjestelmien ripustukset, kvanttikaapin optomekaaniset laitteet tai nanomekaaniset anturit, jotka kaikki ovat hyödyllisiä nanolaitteissa kuten LED:eissä, fotoniikkalaskennassa jne.

Tämä on toinen esimerkki siitä, kuinka tärkeät piezoelektriset materiaalit voivat olla tulevaisuuden teknologioissa. Voit oppia lisää tästä aiheesta joistakin artikkeleistamme, jotka käsittelevät näitä materiaaleja:

Sijoittaminen nanoteknologiaan

Nanoteknologia on kasvava segmentti puolijohteiden valmistuksen ulkopuolella, ja se lupaa ihmeellisiä materiaaleja avaruus-, biotekniikka-, energia- ja kemianteollisuuksille.

Voit sijoittaa nanoteknologiayrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä USA, Canada, Australia, Iso-Britannia, sekä monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä nanoteknologiayrityksiä, voit myös tarkastella nanoteknologia-ETF:iä, kuten ProShares Nanotechnology ETF (TINY) tai Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kvanttilaskentaan ja nanoteknologiayrityksiin.

Tai voit tarkastella listaamme “Top 10 nanoteknologiaosaketta” ja 5 parasta kvanttilaskentayritystä.

Resonanssiyritys

SITM Hintakaavio

Kun tietokoneemme ja elektroniikkamme muuttuvat monimutkaisemmiksi, tarkkojen mittausten merkitys kasvaa, joskus jopa elämän ja kuoleman välillä.

Tämä on SiTime (SITM ):n keskeinen toiminta, yritys, joka keskittyy tarkkaan ajan mittaamiseen piiteknologiaa hyödyntäen. Tämä on samankaltaista kuin kvartsi-kiteiden käyttö kelloissa (70‑vuotias teknologia), mutta sen parempien suorituskykyjen vuoksi:

  • Äärimmäinen vastustuskyky häiriöille, kuten iskuja, tärinää, lämpötilan vaihteluita, jitteriä ja kohinaa.
  • Pieni koko ja alhaiset virrankulutusvaatimukset.
  • Ohjelmoitava ja parempi suorituskyky.

Lähde: SiTimes

SiTime on yritys, joka loi “tarkkuusaikoinnin” konseptin, segmentti kasvaa 30‑35 % vuodessa, ja yrityksellä on 90 % markkinaosuus.

Fabless‑puolijohdeyrityksenä SiTime keskittyy IP‑tensa kehittämiseen, jättäen varsinaisen valmistuksen alan johtajille, samankaltainen liiketoimintamalli kuin Nvidia (NVDA ) GPU‑ ja AI‑siruille.

Tarkempi ajan mittaus tarkkuusaikoinnin avulla on tulevaisuudessa välttämätöntä, kun uudet laskenta- ja telekommunikaatioteknologiat kehittyvät erittäin nopeasti:

  • 5G-yhteys on 10‑kertainen nopeampi kuin 4G
  • Datakeskukset toimivat myös 10‑kerran nopeammin kuin muutama vuosi sitten, ja ne ovat valmiita nopeutumaan AI‑sovellusten kasvaessa
  • Autot ja muut ajoneuvot sisältävät nykyään paljon enemmän elektroniikkaa, ja ennen robotaksien (kaikki autonomiatason 2 ylittävät) käyttöönottoa tarvitaan tarkkuusaikointia
    • SiTime tarjoaa “FailSafe”-teknologiaa, jossa yksi laite yhdistää resonanssit, oskillaattorit, kellotaajuuden ja kehittyneet turvamekanismit autonomisten ajoneuvojen aikataulutukseen. Suuret toimitukset alkavat vasta vuonna 2025.
  • Avaruusteollisuus kasvaa nopeasti, ja yritykset kuten SpaceX johtavat sekä enemmän avaruusmateriaalia lähetettävänä että uusia sovelluksia, kuten matalan latenssin avaruuspohjainen internet

Vuodesta 2019, jolloin liikevaihto oli vähäistä (pääosin oskillaattoreista) ja ensimmäisten resonanssien lanseerauksesta vuonna 2020, SiTime on kasvanut erittäin nopeasti, lisäten samanaikaisesti liikevaihtoa, bruttokatteita ja operatiivista marginaalia.

Lähde: SiTimes

Tämä seurasi SiTime:n palvelukelpoisen markkinan (SAM) kokonaiskasvua 1 miljardista dollarista vuonna 2021 4 miljardiin dollarissa vuonna 2024, osana laajempaa 10 miljardi‑dollaria “aikamarkkinaa”.

Lähde: SiTimes

SiTime on investoinut yli 500 miljoonaa dollaria T&K:hon kumulatiivisesti perustamisesta lähtien. Mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) ala suosii rakennetta, jossa yksi yritys hallitsee lähes kokonaan segmenttiä, koska markkinoille tulon esteet ovat korkeat (T&K‑kustannukset, tekninen asiantuntemus, patentit) ja asiakkaat pysyvät yleensä alan johtajien luona.

Tämä asettaa SiTime:n “aik MEMS” -segmentin johtajaksi, muiden yritysten kuten Broadcom (AVGO ) rinnalla radiotaajuuksille tai Bosch inertiaalisensoreille (SiTime oli Boschista irrottautunut, ennen kuin se ostettiin japanilaiselta Megachips-yritykseltä ja listattiin NASDAQiin vuonna 2019).

AI‑datakeskusten, 5G‑verkkojen, satelliittitelekommunikaation ja itseohjautuvien ajoneuvojen kaikki eksponentiaalisesti kasvavat sektorit antavat SiTime:lle erinomaisen aseman kasvaa nopeasti ja tulla vähemmän tunnetuksi, mutta elintärkeäksi kulmakiveksi käynnissä olevassa yhteys‑ ja AI‑vallankumouksessa.

Tutkimusviite:

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 on entinen biokemian tutkija, joka on työskennellyt geneettisen analyysin ja kliinisten kokeiden parissa. Hän on nyt osakeanalyytikko ja rahoituskirjoittaja, jonka keskittyminen on innovaatioihin, markkisykleihin ja geopoliittisiin asioihin julkaisussaan 'The Eurasian Century'.