Computing

Nanomechanische resonatoren – Hoe quantumcomputing kan profiteren van deze piezo-elektrische apparaten

mm
Gepubliceerd op
Bijgewerkt op
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Toelichting: Securities.io kan een vergoeding ontvangen wanneer u links naar beoordeelde producten gebruikt. Dit beïnvloedt onze redactionele beoordelingen niet. Wij zijn geen geregistreerd beleggingsadviseur; dit is geen beleggingsadvies. Lees onze affiliateverklaring.

Sensoren verkleinen

Naarmate onze technologie nauwkeuriger wordt, zijn steeds kleinere apparaten nodig. Dat is bekend van halfgeleiders zoals chips, met 2 nm (nanometer) lithografie die nu door industriële leiders wordt getest zoals TSMC.

Bron: TSMC

Dit geldt ook voor mechanische onderdelen, waarvan de werking niet primair elektrisch is zoals bij halfgeleiders. Een belangrijk voorbeeld zijn mechanische resonatoren op nanoschaal. Door hun zeer kleine afmetingen zijn deze apparaten geschikt om afzonderlijke deeltjes te meten.

Tot nu toe werd slechts een beperkt aantal niet-geleidende materialen gebruikt om mechanische resonatoren te maken. Daar komt verandering in dankzij onderzoekers van Chalmers University of Technology in Zweden en de Universiteit van Magdeburg in Duitsland.

De onderzoekers maakten een mechanische resonator van een materiaal dat zowel uitstekende resonantie-eigenschappen heeft als piëzo-elektrisch is. De resultaten verschenen in Advanced Materials onder de titel “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1”.

Nanomechanische resonatoren

Resonatoren zijn componenten zoals stemvorken die kunnen trillen op specifieke frequenties. In het geval van de stemvork trilt deze op zijn resonantiefrequentie, waardoor een geluidsgolf binnen ons hoorbare bereik ontstaat.

Vandaag zijn resonatoren verkleind tot micrometer- en nanometerschaal. Deze kleine resonatoren werken op veel hogere frequenties dan grote, en zijn uiterst gevoelig. Dit maakt ze zeer goede sensoren voor metingen op microscopische schaal.

Zo kan een nanoresonator worden gebruikt om de spin van één proton of de zwaartekracht tussen kleine massa’s te meten.

Resonatoren bruikbaarder maken

Tot nu toe worden veel van de beste nanomechanische resonatoren gemaakt van siliciumnitride onder trekspanning. Dankzij zijn uitzonderlijke mechanische eigenschappen is dit een uitstekend resonatormateriaal. Siliciumnitride is echter niet magnetisch of piëzo-elektrisch en geleidt geen elektriciteit.

Daardoor is het lastig de mechanische resonantie in een elektrisch signaal om te zetten of rechtstreeks aan te sturen. Om met andere systemen te communiceren, is doorgaans een extra materiaal boven op het siliciumnitride nodig.

Zo’n toevoeging vermindert echter rechtstreeks de prestaties van de resonator.

De onderzoekers maakten daarom een nanomechanische resonator van aluminiumnitride onder trekspanning. Dit materiaal is piëzo-elektrisch en heeft bovendien uitstekende resonatoreigenschappen, uitgedrukt in de mechanische kwaliteitsfactor (Qm).

“De aluminiumnitride resonator bereikte een kwaliteitsfactor van meer dan 10 miljoen. Dit suggereert dat onder trekspanning staande aluminiumnitride een krachtig nieuw materiaalplatform kan zijn voor kwantumsensoren of kwantumtransducers.

Witlef Wieczorek – hoogleraar natuurkunde bij de afdeling Microtechnology and Nanoscience van Chalmers University of Technology.”

Piezo-elektrische materialen zijn een type materiaal dat van nature mechanische beweging omzet in elektrische signalen en omgekeerd.

In piëzo-elektrische materialen verandert mechanische spanning de relatieve positie van positieve en negatieve ladingen. Daardoor ontstaat elektrische polarisatie en kan aan het oppervlak een meetbare elektrische lading verschijnen.

In tegenstelling tot eerdere resonatoren kan een aluminiumnitrideresonator dus rechtstreeks met andere systemen op nanoschaal worden gekoppeld. Hij kan ook dienen voor het direct uitlezen van sensoren.

Hoe de resonator werd gemaakt

De onderzoekers maakten een 295 nm dikke film van aluminiumnitride onder hoge trekspanning door deze op een siliciumsubstraat te laten groeien. De spanning bedroeg ongeveer 1GPa, vergelijkbaar met het balanceren van twee olifanten op een vingernagel.

Ze gebruikten een nieuw resonatorontwerp, triangline genoemd, met een fractalachtige structuur rond een centraal driehoekig vlak.

De triangline kan bijzonder nuttig zijn doordat de eigenschappen ten minste één kwantumcoherente oscillatie bij kamertemperatuur mogelijk maken. Dat kan toepassing in kwantumtechnologie eenvoudiger maken.

De volgende stap

Als eerste prototype van zijn soort kan deze aluminiumnitrideresonator waarschijnlijk nog verder worden verbeterd.

Eerst willen onderzoekers de kwaliteitsfactor verder verhogen om de resonator gevoeliger en bruikbaarder te maken. Vervolgens moeten ze onderzoeken hoe het ontwerp betrouwbaar kan worden aangepast om piëzo-elektriciteit in kwantumsensoren te benutten.

Toepassingen

Een mogelijke toepassing ligt in kwantumcomputers. Het uitlezen van de eigenschappen van kwantumbits, of qubits, is een belangrijk onderdeel van hun werking.

Qubits kunnen zich in een combinatie van toestanden bevinden. Bij kwantumberekeningen spelen onder meer superpositie en verstrengeling een rol.

  • Superpositie betekent dat een qubit in een combinatie van de toestanden 0 en 1 kan bestaan. Dat maakt kwantumalgoritmen mogelijk die bij bepaalde taken voordeel bieden ten opzichte van klassieke berekeningen.
  • Verstrengeling zorgt voor kwantumcorrelaties tussen qubits, ook over grote afstanden. Hiermee kan geen informatie sneller dan het licht worden overgedragen.

Deze eigenschappen kunnen kwantumprocessors bij bepaalde soorten complexe problemen een voordeel geven ten opzichte van klassieke computers.

Qubits zijn echter uiterst kwetsbaar en hun eigenschappen meten is lastig. Een piëzo-elektrische resonator die bij kamertemperatuur werkt, kan daarom belangrijk zijn voor zowel prestaties als kosten.

Aluminiumnitrideresonatoren zouden een rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van kwantumprocessors. Die kunnen voor specifieke taken een aanvulling op klassieke processors vormen. We bespreken dit verder in “Kwantumprocessors (QPU’s): de toekomst van computertechnologie” en “De huidige stand van kwantumcomputers”.

Andere toepassingen volgen uit de extreme nauwkeurigheid van de resonatoren. Weinig ruis en een lange coherentietijd zijn nodig voor bijvoorbeeld spiegelophangingen, optomechanische kwantumholtes en nanomechanische sensoren. Zulke onderdelen kunnen nuttig zijn in nanotechnologie, leds en fotonische computers.

Dit is opnieuw een voorbeeld van het mogelijke belang van piëzo-elektrische materialen voor toekomstige technologie. Meer hierover leest u in onze artikelen:

Beleggen in nanotechnologie

Nanotechnologie wordt een groeiende sector buiten de productie van halfgeleiders, met beloften van wondermaterialen voor de lucht- en ruimtevaart, biotechnologie, energie- en chemische industrieën.

U kunt via veel brokers in nanotechnologiebedrijven beleggen. Hier op securities.io vindt u onze aanbevelingen voor brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en ook in vele andere landen.

Als u geen afzonderlijke nanotechnologiebedrijven wilt kiezen, kunt u kijken naar nanotechnologie-ETF’s zoals de ProShares Nanotechnology ETF (TINY) of de Direxion Nanotechnology ETF (TYNE). Die bieden een meer gespreide blootstelling aan aandelen in kwantumcomputers en nanotechnologie.

Of bekijk onze lijst van de “Top 10 nanotechnologieaandelen” en 5 beste kwantumcomputerbedrijven.

Resonatorbedrijf

SITM Prijsgrafiek

Naarmate computers en elektronica complexer worden, worden nauwkeurige metingen belangrijker. In sommige toepassingen kan het zelfs om leven en dood gaan.

Dat is het werkterrein van SiTime (SITM ), een bedrijf dat zich richt op nauwkeurige tijdmeting met siliciumtechnologie. Dit lijkt op het gebruik van kwartskristallen in horloges, een ongeveer 70 jaar oude technologie, maar biedt betere prestaties:

  • Zeer hoge weerstand tegen verstoringen door schokken, trillingen, temperatuurveranderingen, timingvariaties en ruis.
  • Kleine afmetingen en laag energieverbruik.
  • Programmeerbaar en met betere prestaties.

Bron: SiTimes

SiTime richt zich op precisietiming, een segment dat volgens de aangehaalde cijfers jaarlijks met 30-35% groeit en waarin het bedrijf een marktaandeel van 90% heeft.

Als halfgeleiderbedrijf zonder eigen chipfabrieken richt SiTime zich op de ontwikkeling van intellectueel eigendom. Het laat de productie over aan gespecialiseerde fabrikanten, vergelijkbaar met Nvidia (NVDA ) voor zijn GPU’s en AI-chips.

Nauwkeurigere tijdmeting wordt steeds noodzakelijker doordat nieuwe computer- en telecomtechnologie zich snel ontwikkelt:

  • 5G-connectiviteit is 10x sneller dan 4G
  • Datacenters werken ook 10x sneller dan een paar jaar geleden, en staan klaar om te versnellen met groeiende AI-toepassingen.
  • Automotive en andere voertuigen integreren tegenwoordig veel meer elektronica, en vóór de komst van robotaxi’s (alle autonomie-niveaus boven 2 hebben precisietiming nodig).
    • SiTime biedt de “FailSafe” technologie waarbij het enkele apparaat resonatoren, oscillatoren, klokfuncties en geavanceerde veiligheidsmechanismen voor timing in autonome voertuigen integreert. Massaproductie zal pas in 2025 beginnen.
  • De lucht- en ruimtevaartsector groeit snel met bedrijven zoals SpaceX die vooroplopen zowel in meer gelanceerd materiaal als in nieuwe toepassingen zoals lage-latentie ruimtegebaseerd internet.

SiTime groeide snel vanuit een in 2019 nog bescheiden omzet, voornamelijk uit oscillatoren, en bracht in 2020 zijn eerste resonatoren op de markt. Daarbij stegen de omzet, brutomarge en operationele marge.

Bron: SiTimes

Dit volgde de groei van de voor SiTime bedienbare adresseerbare markt van $1B in 2021 naar $4B in 2024, binnen een totale timingmarkt van $10B.

Bron: SiTimes

SiTime heeft sinds de oprichting cumulatief meer dan $500M in R&D geïnvesteerd. In de sector voor micro-elektromechanische systemen (MEMS) domineert vaak één bedrijf vrijwel een heel segment. De toetredingsdrempels zijn hoog door onderzoekskosten, technische expertise en patenten, terwijl klanten doorgaans bij gevestigde marktleiders blijven.

SiTime is zo een leider in MEMS voor timing, naast bedrijven als Broadcom (AVGO ) voor radiofrequentietechnologie en Bosch voor traagheidssensoren. SiTime was een spin-off van Bosch, voordat het Japanse MegaChips het overnam en het in 2019 naar de NASDAQ ging.

Met de groei van AI-datacenters, 5G-netwerken, satellietcommunicatie en zelfrijdende voertuigen heeft SiTime mogelijkheden om snel te groeien. Het kan daarmee een minder bekende maar belangrijke schakel worden in de verdere ontwikkeling van connectiviteit en AI.

Studieverwijzing:

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 is een voormalig biochemisch onderzoeker die werkzaam was in genetische analyse en klinische proeven. Hij is nu een aandelenanalist en financieel schrijver met een focus op innovatie, marktcycli en geopolitiek in zijn publicatie 'The Eurasian Century'.