Risonatori Nanomeccanici – Come il Quantum Computing può Beneficiare di questi Dispositivi Piezoelettrici

Miniaturizzare i sensori

La maggiore precisione della tecnologia richiede spesso dispositivi sempre più piccoli. Un esempio sono i semiconduttori, con processi produttivi della classe dei 2 nanometri in sviluppo presso aziende leader come TSMC. La denominazione del nodo non coincide necessariamente con la dimensione fisica di ogni componente.

Fonte: TSMC

La miniaturizzazione riguarda anche i componenti meccanici. I risonatori nanomeccanici, grazie alle dimensioni ridotte e alla sensibilità, possono essere utilizzati per misurazioni su scala molto piccola.

Ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, e dell’Università di Magdeburgo, in Germania, hanno studiato un’alternativa ai materiali più utilizzati nei risonatori ad alte prestazioni.

Il gruppo ha realizzato un risonatore che combina sia buone proprietà meccaniche sia piezoelettricità. I risultati sono stati pubblicati su Advanced Materials con il titolo «Risonatori Nanomeccanici di AlN Cristallino con Elevati Fattori di Qualità per l’Optoelettromeccanica Quantistica¹».

Risonatori nanomeccanici

Un risonatore, come un diapason, può oscillare a frequenze caratteristiche. Nel diapason le vibrazioni producono onde sonore udibili.

Risonatori molto più piccoli possono operare a frequenze elevate ed essere sensibili a forze e perturbazioni minute. Le prestazioni dipendono da materiale, geometria e condizioni operative.

Tra le applicazioni di ricerca figurano il rilevamento di spin e la misura di forze estremamente deboli. Queste possibilità non significano che ogni risonatore possa svolgere direttamente tutte le misurazioni.

Rendere i risonatori più utili

Molti risonatori nanomeccanici ad alte prestazioni sono realizzati in nitruro di silicio sottoposto a tensione. Questo materiale ha ottime proprietà meccaniche, ma non offre una risposta piezoelettrica intrinseca utile come quella del nitruro di alluminio.

Per controllare o leggere elettricamente le oscillazioni possono servire componenti aggiuntivi. Sono possibili anche metodi ottici: non è quindi corretto affermare che il nitruro di silicio interagisca con altri sistemi soltanto aggiungendo materiale sulla superficie.

L’aggiunta di altri strati può introdurre perdite meccaniche e ridurre il fattore di qualità.

I ricercatori hanno invece usato nitruro di alluminio cristallino sottoposto a tensione. È piezoelettrico e presenta buone prestazioni meccaniche, quantificate dal fattore di qualità Qm.

Il risonatore in nitruro di alluminio ha raggiunto un fattore di qualità superiore a dieci milioni. Wieczorek considera il materiale una piattaforma promettente per sensori e trasduttori quantistici.

Witlef Wieczorek — Professore di fisica presso il Dipartimento di microtecnologia e nanoscienze della Chalmers University of Technology.

I materiali piezoelettrici possono convertire deformazioni meccaniche in segnali elettrici e, viceversa, rispondere a campi elettrici con una deformazione.

L’effetto dipende dalla struttura del materiale e dalla sua simmetria. Una sollecitazione modifica la polarizzazione elettrica e può produrre cariche alle superfici. Non deriva semplicemente dalla perdita di una generica simmetria tra cariche inizialmente disposte in modo simmetrico.

La piezoelettricità del nitruro di alluminio offre quindi una possibile interfaccia elettrica diretta per sensori e altri sistemi. La sua integrazione pratica richiede ancora progettazione e verifiche.

Come è stato realizzato

I ricercatori hanno cresciuto su silicio un film di nitruro di alluminio spesso 295 nm e sottoposto a una tensione di circa 1 GPa. Questa forte tensione meccanica contribuisce alle proprietà del risonatore.

Fonte: Advanced Materials

Hanno utilizzato una geometria chiamata «triangline», con una parte centrale triangolare e una struttura di supporto ramificata.

Fonte: Advanced Materials

Il prodotto tra fattore di qualità e frequenza supera la soglia teorica necessaria per un’oscillazione quantisticamente coerente a temperatura ambiente. Ciò non equivale ad aver realizzato un computer quantistico funzionante a temperatura ambiente o ad aver dimostrato ogni condizione necessaria per tale impiego.

Il prossimo passo

Le prestazioni del prototipo potrebbero essere migliorate ulteriormente. Gli sviluppi comprendono l’aumento del fattore di qualità e l’integrazione di una lettura e di un controllo piezoelettrici affidabili per applicazioni quantistiche.

Applicazioni

Una possibile direzione è la tecnologia quantistica, nella quale i bit quantistici, o qubit, sono preparati, manipolati e misurati.

Il loro comportamento coinvolge fenomeni come la sovrapposizione e l’entanglement.

• Sovrapposizione consente a un qubit di trovarsi in una combinazione degli stati 0 e 1. Non permette di leggere simultaneamente tutte le possibili risposte di un calcolo.
• Entanglement produce correlazioni quantistiche tra sistemi. Non consente di inviare informazioni istantaneamente a distanza.

Algoritmi quantistici specifici possono sfruttare questi fenomeni per determinati problemi. Non offrono un’accelerazione universale rispetto ai computer classici.

I qubit sono sensibili al rumore e alle interazioni con l’ambiente. Risonatori piezoelettrici ad alte prestazioni potrebbero contribuire a sensori o interfacce, ma il beneficio concreto dipende dall’architettura.

Le unità di elaborazione quantistica sono in genere considerate complementari ai processori classici, non loro sostituti per ogni compito. Ne discutiamo in «Unità di Elaborazione Quantistica: il Futuro del Calcolo» e «Lo Stato Attuale del Calcolo Quantistico».

Altre possibili applicazioni riguardano misure a basso rumore, optomeccanica e sensori nanomeccanici. Ogni uso richiede un’integrazione specifica; non si può dedurre che il prototipo sia già un componente per LED o computer fotonici.

Questa ricerca illustra il potenziale dei materiali piezoelettrici. Per approfondire:

• Materiali Piezoelettrici – La Fonte di Energia Sconosciuta più Comune
• Scoperta del Nitruro di Carbonio apre la porta a importanti progressi nella scienza dei materiali
• Progressi nei compositi piezoelettrici consentono di sfruttare e interpretare l’energia cinetica
• Riduzione delle schede a circuito stampato con convertitori di energia piezoelettrica

Investire nella nanotecnologia

La nanotecnologia si estende oltre i semiconduttori, con materiali e dispositivi in sviluppo per aerospazio, biotecnologia, energia e chimica. Le possibilità tecniche non garantiscono il successo commerciale.

È possibile investire in società del settore tramite intermediari. Su securities.io trovi le nostre guide per gli Stati Uniti, Canada, l’Australia, il Regno Unito e altri paesi.

Chi preferisce più società può esaminare ETF come ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Al contrario, il Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) è stato liquidato nel febbraio 2023 e non è un’opzione di investimento corrente. Le strategie dei fondi disponibili non sono necessariamente concentrate sul calcolo quantistico.

Puoi anche consultare «Le 10 Principali Azioni della Nanotecnologia» e « Le 5 Migliori Società di Calcolo Quantistico».

Azienda di risonatori

La precisione della temporizzazione è importante in molti sistemi elettronici, anche in applicazioni critiche per la sicurezza.

SiTime (SITM ) sviluppa componenti per la temporizzazione basati su tecnologia al silicio. Rispetto alle soluzioni al quarzo, determinati prodotti possono offrire vantaggi secondo l’applicazione:

• Resistenza a urti, vibrazioni e variazioni di temperatura, con prestazioni specifiche per rumore e jitter.
• Dimensioni ridotte e consumi contenuti in determinate configurazioni.
• Programmabilità e flessibilità di progetto.

Fonte: SiTime

SiTime opera nella temporizzazione di precisione, in particolare con dispositivi MEMS. Le quote elevate citate dall’azienda si riferiscono a segmenti definiti, non al 90% dell’intero mercato mondiale della temporizzazione. Anche i tassi di crescita sono previsioni o dati di periodi specifici.

Come società fabless, SiTime sviluppa proprietà intellettuale e progetti, affidando a partner parti della produzione. Questo modello non elimina i rischi della catena di fornitura. Anche Nvidia (NVDA ) adotta un modello fabless per molti dei suoi prodotti.

La temporizzazione accurata è rilevante per diverse applicazioni:

• Reti 5G, le cui prestazioni variano secondo frequenze, infrastruttura e condizioni d’uso.
• Centri dati e infrastrutture per l’intelligenza artificiale, che richiedono sincronizzazione affidabile.
• Elettronica automobilistica e sistemi di assistenza alla guida, con requisiti diversi secondo la funzione.
  • SiTime ha presentato prodotti per l’automotive con funzioni di affidabilità e sicurezza. Le date di campionamento e produzione in volume dipendono dal prodotto: non ogni annuncio equivale a un prodotto già disponibile.
• Satelliti e comunicazioni spaziali, che presentano requisiti specifici di stabilità e resistenza ambientale.
  • Applicazioni militari, tra cui radar, comunicazioni e guerra elettronica.

SiTime non era una startup appena nata nel 2019: quello fu l’anno della sua quotazione. I ricavi e i margini hanno mostrato oscillazioni nel tempo, quindi la crescita non è stata costante o simultanea per tutti gli indicatori.

Fonte: SiTime

Le stime del mercato servibile dipendono dai prodotti e dalle opportunità considerate dall’azienda. Un aumento del mercato teoricamente raggiungibile non equivale a ricavi già acquisiti.

Fonte: SiTime

SiTime ha investito risorse rilevanti nella ricerca. Costi, competenze e brevetti possono creare barriere all’ingresso nel settore MEMS, ma non garantiscono che un unico produttore domini stabilmente ogni segmento.

L’azienda è un fornitore importante nella temporizzazione MEMS. Altri segmenti, come radiofrequenza e sensori inerziali, hanno concorrenti differenti, tra cui Broadcom (AVGO ) e Bosch. La storia di SiTime comprende legami con Bosch, l’acquisizione da parte di MegaChips e la quotazione al Nasdaq nel 2019.

Centri dati, telecomunicazioni e sistemi elettronici avanzati possono sostenere la domanda. La crescita futura di SiTime dipenderà però anche da concorrenza, cicli del settore, prezzi e capacità di esecuzione.

Riferimento allo studio:

^{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}