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Os ressonadores acústicos estão por toda parte. Na verdade, há uma boa chance de você estar segurando um na mão agora. A maioria dos smartphones hoje usa ressonadores acústicos em massa como filtros de radiofrequência para filtrar ruídos que podem degradar um sinal. Esses filtros também são usados na maioria dos sistemas Wi-Fi e GPS.
Os ressonadores acústicos são mais estáveis que os elétricos, mas podem degradar-se com o tempo. Atualmente não existe uma maneira fácil de monitorar e analisar ativamente a degradação da qualidade do material desses dispositivos amplamente utilizados.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, em colaboração com pesquisadores do Laboratório OxideMEMS da Universidade Purdue, desenvolveram um sistema que usa vagas atômicas no carboneto de silício para medir a estabilidade e a qualidade do ressonadores acústicos. Além do mais, essas vagas também poderiam ser usadas para processamento de informações quânticas controladas acusticamente, fornecendo uma nova maneira de manipular estados quânticos incorporados neste material comumente usado.
“O carboneto de silício, que hospeda tanto os repórteres quânticos quanto a sonda ressonadora acústica, é um semicondutor comercial prontamente disponível que pode ser usado em temperatura ambiente”, disse Evelyn Hu, professora Tarr-Coyne de Física Aplicada e de Engenharia Elétrica. e o Professor de Artes e Ciências Robin Li e Melissa Ma, e autor sênior do artigo. “Como uma sonda ressonadora acústica, esta técnica em carboneto de silício poderia ser usada no monitoramento do desempenho de acelerômetros, giroscópios e relógios ao longo de sua vida útil e, em um esquema quântico, tem potencial para memórias quânticas híbridas e redes quânticas.”
A pesquisa foi publicada em Eletrônica da Natureza.
Uma olhada no interior dos ressonadores acústicos
O carboneto de silício é um material comum para sistemas microeletromecânicos (MEMS), que inclui ressonadores acústicos em massa.
“Os ressonadores de carboneto de silício fabricáveis em escala wafer, em particular, são conhecidos por terem o melhor desempenho da categoria em termos de fator de qualidade”, disse Sunil Bhave, professor da Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering em Purdue e coautor do artigo. “Mas defeitos de crescimento de cristais, como deslocamentos e limites de grãos, bem como defeitos de fabricação de ressonadores, como rugosidade, tensão de amarração e crateras em microescala, podem causar regiões de concentração de tensão dentro do ressonador MEMS.
Hoje, a única maneira de ver o que está acontecendo dentro de um ressonador acústico sem destruí-lo é com raios X superpoderosos e muito caros, como o feixe de raios X de amplo espectro do Laboratório Nacional de Argonne.
“Esses tipos de máquinas caras e de difícil acesso não são implantáveis para fazer medições ou caracterização em uma fundição ou em algum lugar onde você realmente fabricaria ou implantaria esses dispositivos”, disse Jonathan Dietz, estudante de pós-graduação da SEAS e co-primeiro autor do artigo. “Nossa motivação foi tentar desenvolver uma abordagem que nos permitisse monitorar a energia acústica dentro de um ressonador acústico em massa para que você pudesse pegar esses resultados e alimentá-los no processo de projeto e fabricação.”
O carboneto de silício geralmente hospeda defeitos que ocorrem naturalmente nos quais um átomo é removido da rede cristalina, criando um estado eletrônico espacialmente local cujo spin pode interagir com as ondas sonoras através da deformação do material, como a deformação gerada por um ressonador acústico.
Quando as ondas acústicas se movem através do material, elas exercem tensão mecânica na rede, o que pode inverter o giro do defeito. Mudanças no estado de rotação podem ser observadas brilhando um laser através do material para ver quantos defeitos estão “ligados” ou “desligados” após serem perturbados.
“O quão fraca ou brilhante a luz indica quão forte é a energia acústica no ambiente local onde o defeito está”, disse Aaron Day, estudante de graduação da SEAS e co-autor do artigo. “Como esses defeitos são do tamanho de átomos individuais, a informação que eles fornecem é muito local e, como resultado, você pode realmente mapear as ondas acústicas dentro do dispositivo desta forma não destrutiva.”
Esse mapa pode apontar onde e como o sistema pode estar se degradando ou não operando de maneira ideal.
Controle acústico
Esses mesmos defeitos no carboneto de silício também podem ser qubits dentro de um sistema quântico.
Hoje, muitas tecnologias quânticas baseiam-se na coerência dos spins: quanto tempo os spins permanecerão num determinado estado. Essa coerência é frequentemente controlada com um campo magnético.
Mas com sua técnica, Hu e sua equipe demonstraram que poderiam controlar o spin deformando mecanicamente o material com ondas acústicas, obtendo uma qualidade de controle semelhante a outras abordagens que utilizam campos magnéticos alternados.
“Usar as propriedades mecânicas naturais de um material – sua deformação – expande a gama de controle de materiais que temos”, disse Hu. “Quando deformamos o material, descobrimos que também podemos controlar a coerência do spin e podemos obter essa informação apenas lançando uma onda acústica através do material. Isso fornece um novo e importante controle sobre uma propriedade intrínseca de um material que podemos usar para controlar o estado quântico embutido nesse material.”
A pesquisa foi de coautoria de Boyang Jiang. Foi apoiado pela National Science Foundation sob o prêmio RAISE-TAQS 1839164 e a concessão DMR-1231319.
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