Nanomekanik Rezonatörler – Kuantum Hesaplamanın Bu Piezoelektrik Cihazlardan Nasıl Yararlanabileceği

Sensörlerin Küçültülmesi

Teknoloji daha hassas hâle geldikçe bazı bileşenlerin de küçülmesi gerekiyor. Yarı iletkenler bunun bilinen bir örneği; 2024 itibarıyla 2 nm üretim teknolojileri üzerinde çalışılıyordu ve TSMC bu alandaki başlıca şirketlerden biriydi.

Kaynak: TSMC

Küçülme, mekanik hareketten yararlanan aygıtlar için de önemlidir. Nanomekanik rezonatörler, küçük boyutları ve titreşim özellikleri sayesinde çok küçük kuvvetleri veya kütle değişimlerini algılamaya yardımcı olabilir.

Yüksek mekanik kalite faktörüne sahip rezonatörlerde kullanılan malzemelerin işlevlerini genişletmek için yeni yaklaşımlar araştırılıyor. İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi ile Almanya’daki Magdeburg Üniversitesi araştırmacıları bu yönde bir çalışma yaptı.

Ekip, çekme gerilimi altındaki alüminyum nitrürden üretilen bir rezonatörün hem yüksek mekanik kalite faktörü hem de piezoelektrik özellik sağlayabildiğini gösterdi. Çalışma Advanced Materials dergisinde şu başlıkla yayımlandı: “Kuantum optoelektromekaniği için yüksek kalite faktörlü nanomekanik kristal AlN rezonatörler¹”.

Nanomekanik Rezonatörler

Rezonatör, belirli frekanslarda güçlü biçimde titreşebilen bir bileşendir. Diyapazon bunun günlük bir örneğidir: rezonans frekansındaki titreşimi, duyabildiğimiz ses dalgaları oluşturur.

Mikrometre ve nanometre ölçeğindeki rezonatörler, tasarımlarına bağlı olarak yüksek frekanslarda çalışabilir ve çok küçük değişimlere duyarlı olabilir. Bu özellikler hassas ölçümlerde yararlıdır.

Bu tür mekanik aygıtlar, tek parçacıkların özelliklerini veya küçük kütleler arasındaki zayıf kuvvetleri ölçmeye yönelik araştırmalarda kullanılabilir. Bu örnekler, yeni AlN aygıtının hepsini gerçekleştirdiği anlamına gelmez.

Rezonatörleri Daha Kullanışlı Hale Getirmek

Çekme gerilimi altındaki silisyum nitrür, yüksek kaliteli nanomekanik rezonatörlerde yaygın bir malzemedir. Ancak elektriksel olarak yalıtkandır ve doğal olarak piezoelektrik değildir.

Bu özellikler doğrudan elektriksel sürmeyi veya okumayı zorlaştırabilir. Optik okuma gibi başka yöntemler mümkündür; elektriksel işlev eklemek için farklı malzeme katmanlarından da yararlanılabilir.

Ek katmanlar mekanik kayıpları artırabilir. Etki, kullanılan malzemeye ve tasarıma bağlıdır.

Araştırmacılar bunun yerine piezoelektrik alüminyum nitrürden yüksek performanslı bir rezonatör üretti. Mekanik enerji kaybını değerlendirmek için kullanılan ölçütlerden biri mekanik kalite faktörüdür (Qm).

Chalmers’ın açıklamasında fizik profesörü Witlef Wieczorek, 10 milyonun üzerindeki kalite faktörünün çekme gerilimli alüminyum nitrürü kuantum sensörleri ve dönüştürücüleri için umut verici bir malzeme platformu hâline getirdiğini belirtti.

Piezoelektrik malzemeler, mekanik gerilim ile elektriksel kutuplanma arasında bağlantı sağlar. Uygulanan gerilim elektriksel sinyal oluşturabilir; elektrik alanı da mekanik şekil değişimine yol açabilir.

Bu davranış kristal yapısıyla ilişkilidir. Mekanik şekil değişimi, malzemenin elektriksel kutuplanmasını değiştirir. Yüklerin başlangıçta her piezoelektrik malzemede aynı simetrik düzende ayrıldığı açıklaması doğru değildir.

Alüminyum nitrürün piezoelektrik özelliği, rezonatörün elektriksel sistemlerle doğrudan bağlantı kurmasını sağlayabilecek bir avantajdır. Uygulamaya yönelik sürme ve okuma düzeneklerinin ayrıca geliştirilmesi gerekir.

Nasıl Yapıldı

Ekip, silisyum taban üzerinde büyütülen yaklaşık 290 nm kalınlığında kristal alüminyum nitrür film kullandı. Çekme gerilimi yaklaşık 1 GPa düzeyindeydi. Bu gerilim, tasarımla birlikte titreşim enerjisinin kaybını azaltmaya yardımcı olur.

Kaynak: Advanced Materials

Araştırmada, merkezinde üçgen bir platform bulunan ve «triangline» adı verilen yeni bir rezonatör geometrisi de kullanıldı.

Kaynak: Advanced Materials

Yüksek kalite faktörü ve frekans çarpımı, oda sıcaklığında kuantum optoelektromekanik uygulamalar için umut vericidir. Bu sonuç tek başına çalışan bir oda sıcaklığı kuantum bilgisayarı veya tamamlanmış bir kübit sistemi göstermez.

Bir Sonraki Adım

Sonraki çalışmalar, mekanik kayıpları daha da azaltmayı ve piezoelektrik sürme ile okumayı uygulamaya uyarlamayı hedefleyebilir. Daha yüksek kalite faktörü yararlı olsa da bir sensörün başarısı yalnızca bu değere bağlı değildir.

Uygulamalar

Olası uygulamalardan biri kuantum teknolojileridir. Kuantum bilgisayarlarının temel bilgi birimleri kuantum bitleri veya kübitlerdir. Kübitlerin hazırlanması, kontrol edilmesi ve ölçülmesi için farklı fiziksel yöntemler kullanılır. İki önemli kuantum kavramı süperpozisyon ve dolanıklıktır.

• Süperpozisyon , kübit durumunun 0 ve 1 temel durumlarının bir birleşimi olarak tanımlanmasını sağlar. Ancak ölçüm, bütün olası sonuçları aynı anda erişilebilir klasik veri olarak vermez.
• Dolanıklık , birden fazla kübitin durumları arasında klasik yöntemlerle açıklanamayan ortak bağıntılar oluşturur. Işıktan hızlı haberleşme sağlamaz.

Kuantum algoritmaları, bu özelliklerden ve girişimden yararlanarak belirli problemlerde avantaj sağlayabilir. Her zor problemde veya her klasik hesaplamada otomatik olarak daha hızlı değildir.

Kuantum durumları çevresel etkilere duyarlıdır. Piezoelektrik ve düşük kayıplı bir rezonatör, bazı kuantum sistemleri arasında bağlantı veya hassas ölçüm için yararlı olabilir; maliyet ve performans avantajları uygulamada gösterilmelidir.

AlN rezonatörleri, gelecekte kuantum işlem birimleriyle ilişkili aygıtlara katkı sağlayabilir. QPU’ların genel amaçlı CPU’ların yerini bütünüyle alacağı sonucu çıkarılamaz. Bu alanı “Kuantum İşlem Birimleri (QPU): Hesaplamanın Geleceği” ve “Kuantum Hesaplamanın Mevcut Durumu ” yazılarında ele aldık.

Diğer olası alanlar arasında düşük gürültü gerektiren mekanik sensörler, optomekanik boşluk sistemleri ve hassas ayna düzenekleri bulunur. Bunlar, tüm LED veya fotonik bilgisayarlarda bu rezonatörün kullanılacağı anlamına gelmez.

Piezoelektrik malzemelerle ilgili diğer yazılarımızda farklı uygulamaları inceleyebilirsiniz:

• Piezoelektrik Malzemeler – En Yaygın Bilinmeyen Güç Kaynağı
• Karbon Nitrür Atılımı, Malzeme Biliminde Büyük İlerlemelerin Kapısını Açıyor
• Piezoelektrik Kompozitlerdeki Gelişmeler, Kinetik Enerjinin Kullanımını ve Yorumlanmasını Sağlıyor
• Piezoelektrik Güç Dönüştürücülerle Baskı Devre Kartlarının Küçültülmesi

Nanoteknolojiye Yatırım

Nanoteknoloji, yarı iletkenlerin yanı sıra havacılık, biyoteknoloji, enerji ve kimya gibi alanlarda da araştırılıyor. Laboratuvar sonuçlarının ticari ürünlere dönüşmesi zaman ve yatırım gerektirebilir.

Nanoteknolojiyle ilişkili şirketlere yatırım seçeneklerini araştırırken securities.ioüzerindeki ülkeye göre aracı kurum rehberlerimize bakabilirsiniz: ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık, ve diğer ülkeler.

Tek tek şirketler yerine tematik fonlar da incelenebilir. Yazıda geçen örnekler arasında ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ve Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) bulunur. Bunlar tarihsel örneklerdir; fonların güncel faaliyet durumu, portföyü ve giderleri kontrol edilmelidir. Bir nanoteknoloji fonu doğrudan kuantum hesaplama fonuyla aynı değildir ve çeşitlendirme zarar riskini ortadan kaldırmaz.

İlgili şirketleri incelemek için “En İyi 10 Nanoteknoloji Hissesi” ve “ Önde Gelen 5 Kuantum Hesaplama Şirketi” listelerine de bakabilirsiniz.

Zamanlama teknolojileri şirketi

Hassas zamanlama, elektronik sistemlerin senkronizasyonu için önemlidir. Gereksinimler uygulamaya göre değişir ve bazı sistemlerde güvenilirlikle doğrudan ilişkilidir.

SiTime (SITM ), silisyum tabanlı MEMS zamanlama bileşenleri geliştirir. Bunlar saatlerdeki kuvars kristallerine benzer biçimde kararlı bir referans sağlar; avantajlar ürün ve çalışma koşullarına bağlıdır:

• Belirli ürünlerde şok, titreşim ve sıcaklık değişimlerine karşı yüksek dayanıklılık.
• Uygun tasarımlarda küçük boyut ve düşük güç tüketimi.
• Programlanabilirlik ve uygulamaya göre seçilebilen zamanlama özellikleri.

Kaynak: SiTime

SiTime kendisini hassas zamanlama alanında uzmanlaşmış bir şirket olarak tanımlar. Pazar payı ve büyüme oranları, tanımlanan ürün segmentine ve ölçüm dönemine bağlıdır; tüm zamanlama pazarının %90’ını elinde tuttuğu sonucuna varılamaz.

Şirket fabrikasız, yani «fabless», modelle çalışır: ürün ve fikrî mülkiyet geliştirmeye odaklanırken üretim için dış ortaklardan yararlanır. Nvidia (NVDA ) gibi başka yarı iletken şirketleri de benzer bir iş modeli kullanır.

Yeni iletişim ve bilgi işlem uygulamaları farklı zamanlama gereksinimleri doğurur:

• 5G ağlarında yüksek hız ve senkronizasyon ihtiyacı bulunur; gerçek hızlar her koşulda 4G’nin tam 10 katı değildir.
• Veri merkezlerinde hızlı veri aktarımı ve dağıtık işlemlerin eşgüdümü önemlidir. Bütün veri merkezlerinin birkaç yılda aynı oranda hızlandığı söylenemez.
• Araçlardaki gelişmiş sürücü destek sistemleri ve otonom işlevler, çeşitli sensörlerin ve işlem birimlerinin uyumlu çalışmasını gerektirir.
  • SiTime’ın 2024’te tanıttığı Chorus Automotive ürünleri, MEMS rezonatörü, osilatör ve güvenlik mekanizmalarını tek pakette birleştiren FailSafe teknolojisini kullanır. Bu, tek başına aracın otonom veya tamamen güvenli olduğu anlamına gelmez.
• Uydu iletişimi ve havacılık uygulamalarında da güvenilir zaman referansları önemlidir. SpaceX’in uydu interneti, bu alandaki gelişmelerin örneklerinden biridir.
  • Savunma alanındaki kullanım örnekleri radar, haberleşme ve elektronik harp sistemlerini içerir.

SiTime’ın hisseleri 2019’da Nasdaq’ta işlem görmeye başladı. Gelirler ve kârlılık dönemlere göre değişti; şirketin bütün göstergelerinin her yıl kesintisiz arttığı söylenemez.

Kaynak: SiTime

Şirket sunumlarında hizmet verebileceği pazarın, ürün yelpazesinin genişlemesiyle büyüdüğü belirtilir. Bu pazar tahminleri şirketin geliri veya kesinleşmiş satışları değildir.

Kaynak: SiTime

MEMS geliştirme; araştırma, mühendislik, fikrî mülkiyet ve üretim deneyimi gerektirir. Yüksek giriş engelleri ve uzun müşteri değerlendirme süreçleri yerleşik şirketlere avantaj sağlayabilir, fakat her segmentte tek bir şirketin kalıcı hâkimiyetini garanti etmez.

SiTime, zamanlama MEMS alanında faaliyet gösterirken Broadcom (AVGO ) radyo frekansı bileşenleri, Bosch ise çeşitli MEMS sensörleriyle tanınır. SiTime’ın gelişimindeBosch ile ilişkili teknoloji ve iş birliklerininyeri bulunur. Şirket daha sonra Japon MegaChips tarafından satın alınmış, 2019’da Nasdaq’ta halka arz edilmiştir.

Yapay zekâ veri merkezleri, 5G, uydu iletişimi ve araç elektroniği SiTime için fırsatlar yaratabilir. Buna karşılık talep dalgalanmaları, rekabet ve ürün geliştirme maliyetleri büyümeyi ve kârlılığı etkiler.

Çalışma Referansı:

^{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), 2403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}