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Un risonatore migliore
Ricercatori presso il Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST) e l'Università del Colorado a Boulder hanno compiuto un passo importante verso la realizzazione di risonatori su nanoscala che potrebbero essere utilizzati nei dispositivi di comunicazione. I ricercatori hanno coltivato nanofili di nitruro di gallio che mostrano proprietà molto più adatte a tali usi rispetto ad altre nanostrutture di dimensioni simili.
Vibrazioni positive: I ricercatori del NIST hanno coltivato nanofili esagonali di nitruro di gallio che vibrano solo entro una gamma di frequenze molto ristretta. I nanofili potrebbero sostituire gli ingombranti risonatori a cristalli di quarzo che si trovano nei telefoni cellulari.
I risonatori sono parte integrante dei ricevitori radio e dei telefoni cellulari. Tipicamente costituiti da cristalli di quarzo, questi dispositivi svolgono la funzione critica di captare la frequenza del relativo segnale radio dalla cacofonia delle trasmissioni nelle onde radio. Mentre i cristalli di quarzo si comportano molto bene, sono ingombranti. Se guardi i chip nei telefoni cellulari, i risonatori sono enormi rispetto al resto dei circuiti, afferma il ricercatore del NIST Kris Bertness, coautore del Lettere di fisica applicata carta che delinea il nuovo lavoro. I risonatori di cristallo occupano aree di millimetri quadrati, mentre l'elettronica di controllo occupa micrometri quadrati, afferma.
I ricercatori hanno cercato di costruire dispositivi su micro e nanoscala per sostituire i risonatori al quarzo. Il problema è che, poiché i risonatori si riducono di dimensioni, non funzionano altrettanto bene. In passato, i ricercatori hanno realizzato risonatori utilizzando nanostringhe di silicio e nanotubi di carbonio; i nanofili cresciuti dal team NIST/Colorado funzionano almeno 10 volte meglio di tutti questi.
I risonatori nei ricevitori radio e nei telefoni cellulari funzionano vibrando all'interno di una banda ristretta di frequenze, vibrando maggiormente alla frequenza centrale della banda, chiamata frequenza di risonanza. Per determinare il funzionamento di un risonatore, gli ingegneri misurano il suo fattore di qualità o fattore Q. Ciò dipende dall'ampiezza di questa banda di frequenza: più è stretta, maggiore è il fattore Q e migliore è un risonatore nel filtrare una particolare frequenza radio dai segnali vicini. I cristalli di quarzo hanno fattori Q elevati, che vanno da 10.000 a 1.000.000.
Gli sforzi per costruire risonatori più piccoli da silicio e nanotubi di carbonio sono stati ostacolati dalla semplice fisica: man mano che i dispositivi si restringono, i loro fattori Q diminuiscono. Questo perché su scala nanometrica, anche le più piccole impurità o difetti nella superficie del dispositivo influenzano le sue vibrazioni. Anche le molecole di gas che aderiscono alla superficie possono modificare la massa della nanostruttura, smorzandone le vibrazioni e riducendo il fattore Q.
I nuovi nanofili di nitruro di gallio, tuttavia, superano alcune delle limitazioni che devono affrontare le nanostrutture. Bertness e i suoi colleghi coltivano i nanofili esagonali su un substrato di silicio utilizzando un metodo economico e facile compatibile con le tecniche utilizzate per produrre microchip; sostituire i risonatori al quarzo con nanofili cresciuti in questo modo potrebbe ridurre i costi di produzione dei telefoni cellulari. I nanofili hanno diametri compresi tra 30 e 500 nanometri e lunghezze da 5 a 20 micrometri. I fili non hanno difetti di cristallo e hanno impurità chimiche molto basse, dice Bertness. Di conseguenza, tendono a non raccogliere molta spazzatura dall'ambiente e sono molto fluidi. Per questo motivo vibrano stabilmente alle loro frequenze di risonanza e hanno valori Q elevati.
Per misurare l'efficacia dei nuovi nanofili, i ricercatori hanno utilizzato un dispositivo piezoelettrico, uno che converte i segnali elettrici in vibrazioni meccaniche, per scuotere i nanofili a frequenze diverse. Hanno quindi utilizzato un microscopio elettronico a scansione (SEM) per osservare la vibrazione del filo e calcolarne la frequenza di risonanza e il fattore Q. I valori Q variavano da 2.700 a 60.000, fino a 10 volte superiori a quelli misurati per i precedenti risonatori sperimentali su nanoscala.
I valori ampiamente variabili sono il risultato di limitazioni nella tecnica di misurazione SEM, afferma Bertness. Infatti, i valori di Q cambiavano con misurazioni diverse anche sullo stesso filo. Bertness afferma che questo è dovuto al fatto che l'intenso raggio di elettroni fa sì che le molecole di carbonio nell'aria si depositino sul nanofilo, smorzando le sue vibrazioni.
Hong Tang , un professore di ingegneria elettrica alla Yale University, che sta anche lavorando su risonatori su nanoscala, è scettico sui risultati dei ricercatori. Dice che la combinazione di uno scuotimento piezoelettrico con il rilevamento SEM aumenta artificialmente il valore Q. Poiché il SEM utilizza un raggio di elettroni strettamente focalizzato, afferma, se il nanofilo vibra più della dimensione del punto del raggio, la misurazione dello spostamento del filo non è accurata. L'ipotesi di Tang è che i fattori Q effettivi siano probabilmente inferiori ai valori riportati, anche se è probabile che siano ancora superiori a quelli riportati per i nanofili a base di silicio, che sono stati circa 1.000. Dice che i ricercatori dovrebbero utilizzare altri metodi di misurazione per verificare i fattori Q dei loro nanofili.
Bertness riconosce la necessità di misurazioni migliori, aggiungendo che il nano risonatore è tutt'altro che pratico in questo momento. Per essere utilizzato in un ricevitore di telefoni cellulari, il nanofilo dovrà essere guidato da un segnale elettrico, non da uno scuotimento meccanico. Poiché il nitruro di gallio è piezoelettrico, i ricercatori ritengono che ciò dovrebbe essere possibile, afferma, e ora stanno cercando di dimostrare questa teoria.