毎秒10万回の振動を100年間維持できる画期的なナノストリングの開発に成功

2024年5月24日

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公園でブランコに乗ったときの記憶を思い出してみよう。ブランコの揺れは何もしなければ時間の経過と共に減衰し、終いには止まってしまう。だがもし一度押されただけで100年間揺れ続けるブランコがあったとしたらどうだろうか？デルフト工科大学とブラウン大学の研究者らは、これをミクロのレベルで実現したのだ。

一度揺らせば100年振動するナノサイズのひも

デルフト工科大学とブラウン大学の研究者らによるチームは、それ以前に開発されたどの固体物体よりも、常温で長時間振動させることができる新しいひも状共振器を開発した。

「一度押すと、ロープを通じてほとんどエネルギーを失わずに100年間近く揺れ続けるブランコを想像してください。私たちのナノストリングはそれと似たことを行いますが、ブランコのように1秒に一度ではなく、1秒に10万回振動します。エネルギーが漏れにくいため、環境ノイズも入りにくく、これらは室温環境で最高のセンサーの一つとなります」と、デルフト工科大学のRichard Norte准教授は述べている。

このナノストリングは、振動をトラップし、エネルギー損失を最小限に抑えるように設計されており、既存のマイクロチッププラットフォームとの統合に非常に適している。

この超振動ナノストリングを作るにあたり、Norte准教授とデルフト工科大学の同僚らは、ブラウン大学の研究者らとともに、非常に弾力性のある窒化ケイ素（Si₃N₄）のより糸を、わずか70ナノメートルの厚さに保ちながら3センチメートルの長さまで引き伸ばした。これは、「厚さ1ミリのセラミック構造体を、ほぼ半キロメートルにわたって確実に浮遊させることに相当する」と、研究者らは論文の中で述べている。

「このような極端な構造は、重力や重さの影響が異なるナノスケールでしか実現できません。このため、日常的なスケールでは実現不可能な構造も可能になりますが、圧力、温度、加速度、磁場などの物理量を測定する小型デバイス（MEMSセンシングと呼んでいます）では特に有用です」と、デルフト工科大学の共同研究者Andrea Cupertino氏は説明する。「われわれの製造プロセスは、今日のナノテクノロジーで可能なこととは異なる方向に進んでいます」。

ナノストリングが製造されると、マイクロチップの上に固定された。その結果、ナノストリングは常温で運動量をほとんど失うことなく、1秒間に10万回振動することがわかった。これはこれまでは絶対零度付近の物質でしか見られなかった特殊なケースである。

「新たに開発されたナノストリングは、室温環境下でのクランプ対象物としては、これまでに記録された中で最高の機械的品質係数を誇っています」と、Norte氏は述べている。機械的品質係数は振動する物体がエネルギーをどれだけ効率的に保持するかを示すもので、ナノストリングは大きな漏れなく振動エネルギーを維持するのに優れているということだ。

研究者たちは、ナノファブリケーション、機械学習による設計最適化、精密なエンジニアリングを組み合わせることで、固体デバイスが室温で高品質な性能を達成し、キロヘルツの周波数で最大100億の品質係数に達することができると指摘している。

また、今回の発見が次世代マイクロフォンやその他のナノスケール音響デバイスにつながる可能性がある、あるいはナビゲーション用の高度な加速度センサーを作るのに使えるかもしれない、と語っている。

「この技術革新は、室温で巨視的な量子現象を研究する上で極めて重要です。量子力学の奇妙な法則は通常、単一の原子の中でしか見ることができませんが、ナノストリングは日常的な熱に基づく振動ノイズから自らを隔離する能力があるため、何十億もの原子からなる弦という量子シグネチャーの窓を開くことができるのです。日常的な環境では、このような能力は、量子ベースのセンシングのための興味深い用途を持つでしょう」と、Norte氏は述べている。

また、今回作成したものと同じ性質を持つナノストリングは、暗黒物質の探索、エントロピーと時間の研究、カシミール効果として知られる量子現象の理解に役立つ可能性があると、研究者らは述べている。

論文

Nature Communications: Centimeter-scale nanomechanical resonators with low dissipation

参考文献

TU Delft: Strings that can vibrate forever (kind of)

研究の要旨

高アスペクト比の機械的共振器は、巨視的な重力波検出器からナノスケールの音響学に至るまで、精密センシングにおいて極めて重要である。しかし、製作上の課題と高い計算コストのために、これらのデバイスの長さ対厚さの比は制限されており、ナノ工学ではほとんど未開拓の領域が残されている。我々は、ナノメートルの厚さを保ちながら数センチメートルの長さを持つナノメカニカル共振器を紹介する。我々は、より計算量の多いセンチメートルスケールの設計最適化を導くために、ミリメートルスケールの高速シミュレーションを適切に用いる最適化アプローチを用いて、この拡大された設計空間を探求する。繊細なナノ加工技術を用いることで、我々のアプローチは、理論予測に近い室温での品質係数を実験的に確認しながら、高い歩留まりで実現することを保証する。ナノファブリケーション、機械学習による設計最適化、精密工学の相乗効果により、キロヘルツの機械周波数で100億に迫る室温品質係数へのソリッドステートの道が開かれる。