Resonadores Nanomecânicos – Como a Computação Quântica Pode se Beneficiar Destes Dispositivos Piezelétricos

Miniaturizando Sensores

À medida que nossa tecnologia se torna cada vez mais precisa, também requer dispositivos cada vez menores. Isso é bem conhecido para a tecnologia de semicondutores, como chips, com 2 nm (nanômetro) de litografia agora sendo testado por líderes da indústria como a TSMC.

Fonte: TSMC

Isso também é verdade para peças mecânicas, onde a reação não é primariamente elétrica, como nos semicondutores. Um elemento-chave são os ressonadores mecânicos em escala nanométrica. O tamanho muito pequeno desses dispositivos os torna muito úteis para medir partículas individuais.

Até agora, apenas um conjunto limitado de materiais não condutores foi usado para produzir ressonadores mecânicos. Isso mudou graças ao trabalho de pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers (Suécia) e da Universidade de Magdeburgo (Alemanha).

Este grupo de pesquisadores criou um ressonador mecânico a partir de um novo material, que tem ambas propriedades de ressonância excelentes e também é piezelétrico. Esses resultados foram publicados em Advanced Materials, sob o título “Ressonadores Nanomecânicos Cristalinos de AlN com Fatores de Qualidade Altos para Optoeletromecânica Quântica¹”.

Ressonadores Nanomecânicos

Ressonadores são componentes como garfos de afinação que podem vibrar em frequências específicas. No caso do garfo de afinação, ele oscila em sua frequência de ressonância, produzindo uma onda sonora dentro de nossa faixa de audição.

Hoje, os ressonadores foram reduzidos para a escala de micrômetro e nanômetro. Esses ressonadores minúsculos funcionam em frequências muito mais altas do que os grandes, e são extremamente sensíveis. Isso os torna muito bons sensores para medições em escala microscópica.

Por exemplo, um nanorressonador pode ser usado para medir os spins de um próton individual ou a gravidade entre massas pequenas.

Tornando Ressonadores Mais Úteis

Até agora, a maioria dos melhores ressonadores nanomecânicos são feitos de nitreto de silício sob tensão. Esse é um material com qualidades mecânicas excepcionais, tornando-o um muito bom ressonador. O problema é que o nitreto de silício não é magnético, nem piezelétrico, e não conduz eletricidade.

Isso é um problema para converter a ressonância mecânica em um sinal elétrico, ou para controlá-lo diretamente. Então, no geral, esses ressonadores de nitreto de silício só podem interagir com outros sistemas quando outro material é adicionado sobre o nitreto de silício.

O problema é que tal adição diretamente prejudica o desempenho do ressonador.

Em vez disso, os pesquisadores conseguiram criar um ressonador nanomecânico feito de nitreto de alumínio sob tensão. Esse material é piezelétrico, mas também exibe propriedades excelentes como ressonador, medidas por uma característica chamada “fator de qualidade mecânica” (Qm).

“O ressonador de nitreto de alumínio alcançou um fator de qualidade de mais de 10 milhões. Isso sugere que o nitreto de alumínio sob tensão pode ser uma poderosa nova plataforma de material para sensores quânticos ou transdutores quânticos.

Witlef Wieczorek – Professor de Física no Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Universidade de Tecnologia de Chalmers.

Materiais piezelétricos são um tipo de material que naturalmente converte o movimento mecânico em sinais elétricos e vice-versa.

Essa carga elétrica é produzida por assimetria forçada: em materiais piezelétricos, cargas positivas e negativas são separadas umas das outras, enquanto permanecem alinhadas em um padrão simétrico. Quando o estresse mecânico é aplicado à substância, essa simetria é perdida, resultando na produção de uma carga elétrica.

Então, contrariamente às versões anteriores de ressonadores, um ressonador de nitreto de alumínio pode ser diretamente interfaceado com outros sistemas em escala nanométrica. E ele pode ser usado para leitura direta em sensores.

Como Foi Feito

Para desenvolver esse novo tipo de ressonador, os pesquisadores criaram um filme fino de nitreto de alumínio altamente estressado (tenso), com 295 nm de espessura, crescendo sobre um substrato de silício. A tensão foi “de cerca de 1GPa, equivalente a equilibrar dois elefantes sobre uma unha”.

Fonte: Advanced Material

Eles usaram um novo design de ressonador, chamado trianguline, que parece um fractal feito com uma pad central em forma de triângulo.

Fonte: Advanced Material

O trianguline pode ser especialmente útil, pois pode manter uma única oscilação coerente quântica à temperatura ambiente. Isso tornaria muito mais fácil empregá-lo em tecnologia quântica.

O Próximo Passo

Como um protótipo inédito, é provável que o ressonador de nitreto de alumínio apresentado aqui ainda possa ser melhorado.

A primeira parte será fazer com que ele tenha um fator de qualidade ainda mais alto, tornando-o mais sensível e útil. O próximo passo será experimentar e descobrir como adaptar confiavelmente o design para que ele possa usar a piezoeletricidade para aplicações de sensoriamento quântico.

Aplicações

A aplicação mais óbvia seria na computação quântica. A maioria dos computadores quânticos funciona medindo as propriedades dos qubits (bits quânticos).

Os qubits podem existir em múltiplos estados simultaneamente graças a duas propriedades quânticas: superposição e entrelaçamento.

• Superposição permite que os qubits representem 0 e 1 ao mesmo tempo, aumentando exponencialmente os dados que podem ser processados em comparação com os bits clássicos.
• Entrelaçamento liga os qubits de tal forma que o estado de um qubit pode afetar instantaneamente outro, mesmo a grandes distâncias.

Essas propriedades permitem que as Unidades de Processamento Quântico (QPUs) resolvam problemas complexos muito mais rapidamente do que os computadores clássicos, explorando múltiplas soluções simultaneamente.

No entanto, os qubits são extremamente frágeis, e medir suas propriedades não é uma tarefa fácil. Um ressonador à temperatura ambiente que também é piezelétrico pode ser um divisor de águas, tanto em termos de desempenho quanto de custos.

Isso pode tornar os ressonadores de nitreto de alumínio uma parte fundamental no desenvolvimento de Unidades de Processamento Quântico capazes de substituir os nossos atuais CPUs, um tópico que discutimos em mais detalhes em “Unidades de Processamento Quântico (QPUs): O Futuro da Computação” e em “O Estado Atual da Computação Quântica”.

Outras aplicações podem surgir da precisão extrema dos ressonadores, em aplicações de nicho onde baixo ruído e longo tempo de coerência são necessários, como suspensões de espelho, dispositivos optomecânicos quânticos ou sensores nanomecânicos, todos úteis para nanodispositivos como LEDs, computação fotônica, etc.

Isso é outro exemplo de como os materiais piezelétricos podem ser importantes em tecnologias futuras. Você pode aprender mais sobre esse tópico em alguns de nossos artigos que cobrem esses materiais:

• Materiais Piezelétricos – A Fonte de Energia Mais Comum e Desconhecida
• Avanço no Nitrato de Carbono Abre Porta para Avanços Importantes na Ciência dos Materiais
• Avanços em Compostos Piezelétricos Permitem a Utilização e Interpretação da Energia Cinética
• Reduzindo o Tamanho de Placas de Circuito Impresso com Conversores de Energia Piezelétricos

Investindo em Nanotecnologia

A nanotecnologia está se tornando um segmento em crescimento além da fabricação de semicondutores, com promessas de materiais maravilhosos para as indústrias aeroespacial, biotecnologia, energia e química.

Você pode investir em empresas de nanotecnologia por meio de muitos corretores, e você pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações para os melhores corretores nos EU, Canadá, Austrália, Reino Unido, além de muitos outros países.

Se você não estiver interessado em escolher empresas de nanotecnologia específicas, também pode olhar para ETFs de nanotecnologia, como o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou o Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), que fornecerão uma exposição mais diversificada para capitalizar em ações de computação quântica e nanotecnologia.

Ou você pode olhar para nossa lista das “10 Principais Ações de Nanotecnologia” e 5 Melhores Empresas de Computação Quântica.

Empresa de Ressonadores

À medida que nossos computadores e eletrônicos se tornam mais complexos, ter medições exatas se torna ainda mais importante, em alguns casos, uma questão de vida ou morte.

Isso é o foco da SiTime, uma empresa centrada em medições de tempo precisas usando tecnologia de silício. Isso é semelhante à forma como cristais de quartzo são usados em relógios (uma tecnologia de 70 anos), exceto por suas performances superiores:

• Resistência extrema a interferências de choque, vibração, mudanças de temperatura, jitter e ruído.
• Tamanho pequeno e baixos requisitos de energia.
• Programável e de alto desempenho.

Fonte: SiTimes

A SiTime é a empresa responsável por criar o conceito de “cronometragem de precisão”, um segmento que cresce 30-35% ao ano e no qual a empresa tem uma participação de mercado de 90%.

Como uma empresa de semicondutores “fabless”, a SiTime se concentra em desenvolver suas IPs, deixando a fabricação real para líderes da indústria, um modelo de negócios semelhante ao da Nvidia para suas GPUs e chips de IA.

Mais precisas medições de tempo por meio da cronometragem de precisão estão se tornando uma necessidade, à medida que novas tecnologias de computação e telecomunicações estão se movendo muito rapidamente:

• Conectividade 5G é 10 vezes a velocidade da 4G
• Centros de dados também estão operando 10 vezes mais rápido do que há alguns anos e estão prontos para acelerar com o crescimento de aplicações de IA.
• Veículos automotivos e outros veículos estão incorporando muito mais eletrônica hoje e antes do advento de táxis robóticos (todos os níveis de autonomia acima de 2 precisam de cronometragem de precisão).
  • A SiTime oferece a tecnologia “FailSafe”, onde o dispositivo único integra ressonadores, osciladores, clocking e mecanismos de segurança avançados para cronometragem em veículos autônomos. As remessas em volume só começarão em 2025.
• O setor aeroespacial está crescendo rapidamente com empresas como a SpaceX liderando o caminho em ambos os materiais lançados e novas aplicações como internet baseada em espaço de baixa latência.
  • Aplicações militares também estão aumentando, de radares a comunicação e guerra eletrônica.

A partir de uma startup com poucas receitas em 2019 (mais provenientes de osciladores) e lançando seus primeiros ressonadores em 2020, a SiTime cresceu muito rapidamente, aumentando ao mesmo tempo as receitas, a margem bruta e a margem operacional.

Fonte: SiTimes

Isso seguiu o crescimento geral do Mercado Endereçável (SAM) para a SiTime, de $1B em 2021 para $4B em 2024, como parte do mercado de cronometragem mais amplo de $10B.

Fonte: SiTimes

A SiTime investiu mais de $500M em P&D cumulativamente desde sua criação. A indústria de sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) tende a favorecer uma estrutura onde uma empresa quase que inteiramente domina um segmento, pois as barreiras de entrada são altas (custos de P&D, expertise técnica, patentes) e os clientes tendem a se ater aos líderes da indústria.

Isso coloca a SiTime como a líder da “cronometragem MEMS”, ao lado de outras empresas como a Broadcom (AVGO ) para frequência de rádio ou a Bosch para sensores inerciais (a SiTime foi uma spin-off da Bosch, antes de ser comprada pela empresa japonesa Megachips e listada na NASDAQ em 2019).

Com centros de dados de IA, implantação de 5G, telecomunicações baseadas em satélite e veículos autônomos, todos setores em crescimento exponencial, a SiTime está bem posicionada para crescer muito rapidamente e se tornar uma pedra angular menos conhecida, mas vital, da revolução de conectividade e IA em andamento.

Referência de Estudo:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Ressonadores Nanomecânicos Cristalinos de AlN com Fatores de Qualidade Altos para Optoeletromecânica Quântica. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}