Datorer

Nanomekaniska resonatorer – hur kvantdatorer kan dra nytta av dessa piezoelektriska enheter

mm
Publicerad
Uppdaterad
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Information: Securities.io kan få ersättning när du använder länkar till produkter vi granskar. Det påverkar inte våra redaktionella bedömningar. Vi är inte registrerad investeringsrådgivare; detta är inte investeringsråd. Läs vår affiliateinformation.

Miniatyrisering av sensorer

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with 2 nm (nanometer) litografi som nu testas av branschledare som TSMC.

Källa: TSMC

Detta gäller också för mekaniska delar, där responsen inte primärt är elektrisk, som i halvledare. En nyckelkomponent är nanoskala mekaniska resonatorer. Den mycket lilla storleken på dessa enheter gör dem mycket användbara för att mäta enskilda partiklar.

Fram till nu har endast ett begränsat urval av icke-ledande material använts för att producera mekaniska resonatorer. Detta har nu förändrats tack vare forskarnas arbete vid Chalmers tekniska högskola (Sverige) och universitetet i Magdeburg (Tyskland).

Denna forskargrupp har skapat en mekanisk resonator av ett nytt material som har båda utmärkta resonans egenskaper och dessutom är piezoelektriskt. These results were published in Advanced Materials, under the title “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1”.

Nanomekaniska resonatorer

Resonatorer är komponenter som stämgafflar som kan vibrera vid specifika frekvenser. I fallet med stämgaffeln oscillerar den vid sin resonansfrekvens och producerar en ljudvåg inom vårt hörningsområde.

Idag har resonatorer krympt till mikrometer- och nanometerskala. Dessa små resonatorer fungerar vid mycket högre frekvenser än stora och är extremt känsliga. Detta gör dem till mycket bra sensorer för mätningar på mikroskopisk skala.

For example, such a nanoresonator can be used to measure the spins of single-proton or the gravity between small masses.

Gör resonatorer mer användbara

Fram till nu har de flesta av de bästa nanomekaniska resonatorerna tillverkats av spänningsbelastad kiselnitrat. Detta är ett material med exceptionella mekaniska egenskaper, vilket ger en mycket bra resonator. Problemet är att kiselnitrat varken är magnetiskt, piezoelektriskt eller leder elektricitet.

Detta är ett problem för att omvandla den mekaniska resonansen till en elektrisk signal, eller för att styra den direkt. Således kan dessa kiselnitratresonatorer bara interagera med andra system när ett annat material läggs ovanpå kiselnitratet.

Problemet är att ett sådant tillägg direkt försämrar resonatorns prestanda.

Istället lyckades forskarna skapa en nanomekanisk resonator av spänningsbelastad aluminiumnitrat. Detta material är piezoelektriskt, men uppvisar också utmärkta egenskaper som resonator, mätt med en egenskap kallad “mekanisk kvalitetsfaktor” (Qm).

“Aluminiumnitratresonatorn uppnådde en kvalitetsfaktor på mer än 10 miljoner. Detta tyder på att spänningsbelastad aluminiumnitrat kan vara en kraftfull ny materialplattform för kvantsensorer eller kvanttransduktorer.

Witlef Wieczorek – professor i fysik vid avdelningen för mikroteknik och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola.”

Piezoelektriska material är en typ av material som naturligt omvandlar mekanisk rörelse till elektriska signaler och vice versa.

Denna elektriska laddning produceras genom påtvingad asymmetri: i piezoelektriska material separeras positiva och negativa laddningar från varandra, samtidigt som de förblir i ett symmetriskt mönster. När mekanisk stress appliceras på substansen förloras denna symmetri, vilket resulterar i en elektrisk laddning.

Således, till skillnad från tidigare versioner av resonatorer, kan en aluminiumnitratresonator direkt anslutas till andra nanoskaliga system. Och den kan användas för direkt avläsning i sensorer.

Hur den tillverkades

För att utveckla denna nya typ av resonator skapade forskarna en starkt spänd (spänd) tunn film av aluminiumnitrat, 295 nm tjock, genom att odla den på ett kiselsubstrat. Spänningen var “ungefär 1 GPa, motsvarande att balansera två elefanter på ett nagelband”.

De använde en ny resonatordesign, kallad trianguline, som ser ut som en fraktal med en central triangulär platta.

Trianguline kan vara särskilt användbar eftersom den kan bibehålla en enda kvantkoherent oscillation vid rumstemperatur. Detta skulle göra det mycket enklare att använda i kvantteknik.

Det nästa steget

Som ett förstaprototyp är det sannolikt att aluminiumnitratresonatorn som presenteras här fortfarande kan förbättras ytterligare.

Det första steget blir att tillverka den med en ännu högre kvalitetsfaktor, vilket gör den mer känslig och användbar. Nästa steg blir att experimentera och ta reda på hur man på ett pålitligt sätt kan anpassa designen så att den kan utnyttja piezoelektricitet för kvantmätningsapplikationer.

Tillämpningar

Den mest uppenbara tillämpningen skulle vara inom kvantdatorer. De flesta kvantdatorer fungerar genom att mäta kvantbitar (qubits) egenskaper.

Qubits kan existera i flera tillstånd samtidigt tack vare två kvantegenskaper: superposition och intrassling.

  • Superposition tillåter qubits att representera både 0 och 1 samtidigt, vilket exponentiellt ökar den data som kan bearbetas jämfört med klassiska bitar.
  • Intrassling kopplar qubits på ett sätt så att tillståndet för en qubit omedelbart kan påverka en annan, även över stora avstånd.

Dessa egenskaper möjliggör för QPU:er att lösa mycket komplexa problem mycket snabbare än klassiska datorer genom att utforska flera lösningar samtidigt.

Dock är qubits extremt ömtåliga, och att mäta deras egenskaper är ingen enkel uppgift. En resonator vid rumstemperatur som dessutom är piezoelektrisk kan bli en spelväxlare, både vad gäller prestanda och kostnader.

Detta kan göra aluminiumnitratresonatorer till en nyckelkomponent i utvecklingen av kvantprocessorenheter (Quantum Processing Units) som kan ersätta vår nuvarande CPU, ett ämne vi diskuterade mer i detalj i “Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing” och i “The Current State of Quantum Computing ”.

Andra tillämpningar kan härstamma från resonatorernas extrema precision; i nischade applikationer krävs låg brusnivå och lång koherenstid, såsom spegelfjädringar, kvantkavitet optomekaniska enheter eller nanomekaniska sensorer, alla användbara för nanobenheter som LED‑lampor, fotonik‑beräkning osv.

Detta är ett annat exempel på hur viktiga piezoelektriska material kan vara i framtida teknologier. Du kan lära dig mer om detta ämne från några av våra artiklar som täcker dessa material:

Investera i nanoteknik

Nanoteknik blir ett växande segment bortom tillverkning av halvledare, med löften om fantastiska material för rymd-, biotek-, energi- och kemibranscher.

Du kan investera i nanotekföretag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika nanotekföretag kan du även titta på nanoteknik-ETF:er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) som ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av kvantdatorer och nanotekaktier.

Eller så kan du titta på vår lista över “Top 10 Nanotechnology Stocks” och 5 Best Quantum Computing Companies.

Resonatorföretaget

SITM Prisdiagram

När våra datorer och elektronik blir mer komplexa blir exakta mätningar ännu viktigare, i vissa fall en fråga om liv eller död.

Detta är fokus för SiTime (SITM ), ett företag som är inriktat på exakt tidsmätning med hjälp av kiselteknik. Detta liknar hur kvartskrystaller används i klockor (en 70 år gammal teknik), men med överlägsna prestanda:

(NVDA )
  • Extremt motstånd mot störningar från stötar, vibrationer, temperaturförändringar, jitter och brus.
  • Liten storlek och låga energikrav.
  • Programmerbar och högre prestanda.

Källa: SiTimes

SiTime är företaget som ansvarar för att skapa konceptet “precision timing”, ett segment som växer 30–35 % per år och där företaget har 90 % marknadsandel.

Som ett “fabless” halvledarföretag fokuserar SiTime på att utveckla sina IP:n och låter den faktiska tillverkningen göras av branschledare, en affärsmodell liknande Nvidias för dess GPU:er och AI‑chip.

Mer exakt tidsmätning genom precision timing blir ett måste, eftersom nya datortekniker och telekommunikationstekniker utvecklas mycket snabbt:

  • 5G‑anslutning är 10 × snabbare än 4G
  • Datacenter kör också 10 × snabbare än för några år sedan och är redo att accelerera med växande AI‑applikationer.
  • Bilindustrin och andra fordon integrerar idag mycket mer elektronik, och inför robotaxier (alla autonominivåer över 2 kräver precision timing).
    • SiTime erbjuder “FailSafe”-tekniken där den enda enheten integrerar resonatorer, oscillatorer, klockfunktioner och avancerade säkerhetsmekanismer för tidsstyrning i autonoma fordon. Storskaliga leveranser startar först 2025.
  • Rymdsektorn växer snabbt med företag som SpaceX i framkant både när det gäller mer material som lanseras och nya applikationer som låglatensbaserat internet i rymden.

Från en startup med låga intäkter 2019 (mest från oscillatorer) och lanseringen av sina första resonatorer 2020, har SiTime vuxit mycket snabbt, med ökade intäkter, bruttomarginal och rörelsemarginal.

Källa: SiTimes

Detta följde den övergripande tillväxten av den tjänstbara adresserbara marknaden (SAM) för SiTime från 1 mdr USD 2021 till 4 mdr USD 2024, som en del av den större 10 mdr USD “tidsmarknaden”.

Källa: SiTimes

SiTime har investerat över 500 miljoner USD i FoU kumulativt sedan starten. Mikroelektromekaniska system (MEMS)-industrin tenderar att föredra en struktur där ett företag nästan helt dominerar ett segment, eftersom inträdesbarriärerna är höga (FoU‑kostnader, teknisk expertis, patent) och kunder tenderar att hålla sig till branschledarna.

Detta placerar SiTime som ledare inom “timing MEMS”, tillsammans med andra företag som Broadcom (AVGO ) för radiofrekvens eller Bosch för inertialsensorer (SiTime var en avknoppning från Bosch, innan det köptes av det japanska företaget Megachips och noterades på NASDAQ 2019).

Med AI‑datacenter, 5G‑utbyggnad, satellittelefoni och självkörande fordon – alla sektorer som växer exponentiellt – är SiTime väl positionerat för att själva växa mycket snabbt och bli en mindre känd men avgörande hörnsten i den pågående anslutnings‑ och AI‑revolutionen.

Studierreferens:

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 är en tidigare biokemistforskare som arbetade med genetisk analys och kliniska prövningar. Han är nu en aktieanalytiker och finansskribent med fokus på innovation, marknadscykler och geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.