Nanomekaniske resonatorer – hvordan kvantedatabehandling kan dra nytte av disse piezoelektriske enhetene

Miniaturisering av sensorer

As vår teknologi blir stadig mer presis, krever den også stadig mindre enheter. Dette er velkjent for halvlederteknologi som chips, med 2 nm (nanometer) litografi som nå testes av bransjeledere som TSMC.

Kilde: TSMC

Dette gjelder også for mekaniske deler, hvor reaksjonen ikke primært er elektrisk, slik som i halvledere. Et nøkkel­element er nano‑skala mekaniske resonatorer. Den svært lille størrelsen på disse enhetene gjør dem svært nyttige for måling av enkeltpartikler.

Inntil nå har kun et begrenset sett av ikke‑ledende materialer blitt brukt til å produsere mekaniske resonatorer. Dette har nå endret seg takket være arbeidet til forskere ved Chalmers University of Technology (Sverige) og University of Magdeburg (Tyskland).

Dette forskerteamet har laget en mekanisk resonator av et nytt materiale, som har begge utmerkede resonanseegenskaper og også er piezoelektrisk. Disse resultatene ble publisert i Advanced Materials, under tittelen “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics¹”.

Nanomekaniske resonatorer

Resonatorer er komponenter som stemmegafler som kan vibrere på spesifikke frekvenser. I tilfelle av stemmegaflen oscillerer den på sin resonansfrekvens og produserer en lydbølge innenfor vårt hørbare område.

I dag har resonatorer blitt krympet til mikrometer‑ og nanometerskala. Disse bittesmå resonatorene fungerer på mye høyere frekvenser enn store, og er ekstremt følsomme. Dette gjør dem til svært gode sensorer for målinger på mikroskopisk skala.

For eksempel kan en slik nano‑resonator brukes til å måle spinnet til et enkelt proton eller gravitasjonen mellom små masser.

Gjør resonatorer mer nyttige

Inntil nå er de fleste av de beste nanomekaniske resonatorene laget av strekk‑spente silisium‑nitrat. Dette er et materiale med eksepsjonelle mekaniske egenskaper, som gir en svært god resonator. Problemet er at silisium‑nitrat verken er magnetisk, piezoelektrisk eller ledende.

Dette er et problem når man skal konvertere den mekaniske resonansen til et elektrisk signal, eller styre den direkte. Så samlet sett kan disse silisium‑nitrat‑resonatorene kun samhandle med andre systemer når et annet materiale legges på toppen av silisium‑nitrat.

Problemet er at en slik tilsetning direkte svekker resonatorens ytelse.

I stedet klarte forskerne å lage en nanomekanisk resonator av strekk‑spent aluminium‑nitrat. Dette materialet er piezoelektrisk, men viser også utmerkede resonatoregenskaper, målt ved en karakteristikk kalt “mekanisk kvalitetsfaktor” (Q_m).

«Aluminium‑nitrat‑resonatoren oppnådde en kvalitetsfaktor på mer enn 10 millioner. Dette antyder at strekk‑spent aluminium‑nitrat kan bli en kraftig ny materialplattform for kvantesensorer eller kvantetransduktorer.

Witlef Wieczorek – professor i fysikk ved Institutt for mikro‑ og nanovitenskap ved Chalmers University of Technology.»

Piezoelektriske materialer er en type materiale som naturlig konverterer mekanisk bevegelse til elektriske signaler og omvendt.

Dette elektriske ladningssignalet produseres av påtvunget asymmetri: i piezoelektriske materialer blir positive og negative ladninger separert fra hverandre, mens de fortsatt er justert i et symmetrisk mønster. Når mekanisk stress påføres stoffet, går denne symmetrien tapt, og et elektrisk ladningssignal genereres.

Dermed, i motsetning til tidligere versjoner av resonatorer, kan en aluminium‑nitrat‑resonator direkte kobles til andre nanoskalasystemer. Den kan også brukes til direkte avlesning i sensorer.

Hvordan den ble laget

For å utvikle denne nye resonatortypen, laget forskerne en sterkt belastet (spente) tynnfilm av aluminium‑nitrat, 295 nm tykk, ved å vokse den på et silisium‑substrat. Spenningen var «omtrent 1 GPa, tilsvarende å balansere to elefanter på en negl».

Kilde: Advanced Material

De brukte et nytt resonatordesign, kalt trianguline, som ser ut som en fraktal laget med en sentral trekant‑formet pad.

Kilde: Advanced Material

Trianguline‑designen kan være spesielt nyttig fordi den kan opprettholde en enkelt kvante‑koherent oscillasjon ved romtemperatur. Dette vil gjøre den mye enklere å bruke i kvanteteknologi.

Det neste steget

Som en prototype av sitt slag er det sannsynlig at aluminium‑nitrat‑resonatoren som presenteres her fortsatt kan forbedres ytterligere.

Første del vil være å lage den med en enda høyere kvalitetsfaktor, noe som gjør den mer følsom og nyttig. Det neste steget vil være å eksperimentere og finne ut hvordan man pålitelig kan tilpasse designet slik at piezoelektrisiteten kan brukes til kvante‑sensorapplikasjoner.

Applikasjoner

Den mest åpenbare anvendelsen vil være i kvantedatabehandling. De fleste kvantedatamaskiner fungerer ved at kvantebiter (qubits) egenskapene måles.

Qubits kan eksistere i flere tilstander samtidig takket være to kvante‑egenskaper: superposisjon og sammenfiltring.

• Superposisjon gjør at qubits kan representere både 0 og 1 samtidig, noe som eksponentielt øker datamengden som kan behandles sammenlignet med klassiske biter.
• Sammenfiltring kobler qubits på en måte som gjør at tilstanden til én qubit umiddelbart kan påvirke en annen, selv over store avstander.

Disse egenskapene gjør at QPU‑er kan løse svært komplekse problemer mye raskere enn klassiske datamaskiner ved å utforske flere løsninger samtidig.

Imidlertid er qubits ekstremt skjøre, og å måle deres egenskaper er ingen enkel oppgave. En resonator som fungerer ved romtemperatur og samtidig er piezoelektrisk kan bli en spill‑endrer, både når det gjelder ytelse og kostnader.

Dette kan gjøre aluminium‑nitrat‑resonatorer til en nøkkelkomponent i utviklingen av kvante‑prosesseringsenheter (QPUs) som kan erstatte dagens CPU‑er, et tema vi diskuterte i detalj i «Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing» og i «The Current State of Quantum Computing ».

Andre anvendelser kan springe ut fra resonatorenes ekstreme presisjon; i nisje‑applikasjoner kreves lavt støynivå og lang koherenstid, som for speil‑oppheng, kvante‑kavitet‑optomekaniske enheter eller nanomekaniske sensorer, alle nyttige for nanodevicer som LED‑er, fotonisk beregning osv.

Dette er et annet eksempel på hvor viktige piezoelektriske materialer kan bli i fremtidige teknologier. Du kan lære mer om dette temaet i noen av våre artikler som dekker disse materialene:

• Piezoelektriske materialer – den mest vanlige ukjente energikilden
• Gjennombrudd med karbognitrid åpner døren for store fremskritt innen materialvitenskap
• Fremskritt i piezoelektriske kompositter gjør det mulig å utnytte og tolke kinetisk energi
• Krymping av trykte kretskort med piezoelektriske kraftomformere

Investering i nanoteknologi

Nanoteknologi blir en voksende sektor utover produksjon av halvledere, med løfter om fantastiske materialer for luftfart, bioteknologi, energi‑ og kjemisk industri.

Du kan investere i nanoteknologiselskaper gjennom mange meglere, og du kan finne våre anbefalinger for de beste meglerne i securities.io for USA, Canada, Australia, Storbritannia og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å plukke ut spesifikke nanoteknologiselskaper, kan du også se på nanoteknologi‑ETF‑er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), som gir en mer diversifisert eksponering mot kvantedatabehandling‑ og nanoteknologisk aksjer.

Eller kan du se på vår liste over «Topp 10 nanoteknologiselskaper» og 5 beste selskaper innen kvantedatabehandling.

Resonator‑selskap

Etter hvert som våre datamaskiner og elektronikk blir mer komplekse, blir nøyaktige målinger enda viktigere, i noen tilfeller et spørsmål om liv eller død.

Dette er fokusområdet til SiTime (SITM ), et selskap som sentrerer rundt nøyaktig tidsmåling ved hjelp av silisiumteknologi. Dette ligner på hvordan kvarts­krystaller brukes i klokker (en 70‑år gammel teknologi), men med overlegne ytelser:

• Ekstrem motstand mot forstyrrelser fra støt, vibrasjoner, temperaturendringer, jitter og støy.
• Liten størrelse og lavt strømforbruk.
• Programmerbar og høyere ytelse.

Kilde: SiTimes

SiTime er selskapet som står bak konseptet «presisjonstiming», et segment som vokser 30‑35 % årlig og hvor selskapet har 90 % markedsandel.

Som et «fabless» halvlederselskap fokuserer SiTime på å utvikle sine IP‑er, mens selve produksjonen overlates til bransjeledere – en forretningsmodell lik Nvidia (NVDA ) for sine GPU‑er og AI‑chips.

Mer presis tidsmåling gjennom presisjonstiming blir et must, ettersom nye databehandlings‑ og telekommunikasjonsteknologier beveger seg svært raskt:

• 5G‑tilkobling er 10 × raskere enn 4G
• Datasentre opererer også 10 × raskere enn for noen år siden, og vil akselerere med økende AI‑applikasjoner.
• Bil‑ og andre kjøretøy integrerer i dag langt mer elektronikk, og før robotaxi‑æraen (alle autonominivåer over 2 krever presisjonstiming).
  • SiTime tilbyr «FailSafe»-teknologi hvor én enhet integrerer resonatorer, oscillatorer, klokking og avanserte sikkerhetsmekanismer for timing i autonome kjøretøy. Masseproduksjon starter først i 2025.
• Luftfartssektoren vokser raskt med selskaper som SpaceX som leder vei både i mengde lansert materiale og nye applikasjoner som lav‑latens rom‑basert internett.
  • Militære anvendelser tar også av, fra radarer til kommunikasjon og elektronisk krigføring.

Fra en oppstart med liten omsetning i 2019 (hovedsakelig fra oscillatorer) og lansering av sine første resonatorer i 2020, har SiTime vokst svært raskt, med økende inntekter, bruttofortjeneste og driftsmargin.

Kilde: SiTimes

Dette fulgte den generelle veksten i Serviceable Addressable Market (SAM) for SiTime fra 1 mrd USD i 2021 til 4 mrd USD i 2024, som del av det samlede 10 mrd USD «timing‑markedet».

Kilde: SiTimes

SiTime har investert over 500 millioner USD i FoU samlet siden oppstarten. Mikro‑elektro‑mekaniske systemer (MEMS)‑industrien tenderer mot en struktur hvor ett selskap nesten fullstendig dominerer et segment, da inngangsbarrierene er høye (FoU‑kostnader, teknisk ekspertise, patenter) og kunder har en tendens til å holde seg til bransjeledere.

Dette plasserer SiTime som leder innen «timing‑MEMS», sammen med andre selskaper som Broadcom (AVGO ) for radiofrekvens eller Bosch for inertialsensorer (SiTime var et spin‑off fra Bosch, før de ble kjøpt opp av det japanske selskapet Megachips og notert på NASDAQ i 2019).

Med AI‑datasentre, 5G‑utrulling, satellitt‑telekommunikasjon og selvkjørende kjøretøy som alle vokser eksponentielt, er SiTime godt posisjonert til å vokse svært raskt, og bli en mindre kjent, men vital hjørnestein i den pågående tilkoblings‑ og AI‑revolusjonen.

Studierreferanse:

^{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}