Dari Garpu Tala hingga Penginderaan Kuantum: Bagaimana Resonator Nanomekanis Mengubah Teknologi
Resonator mekanis, alat yang bergetar pada frekuensi yang tepat, telah mengalami kemajuan pesat seiring berjalannya waktu. Kini diperkecil menjadi ukuran mikro dan nano, resonator ini mencapai frekuensi lebih tinggi dan sensitivitas lebih tinggi.
Kemajuan ini telah menimbulkan minat yang signifikan terhadap fisika kuantum, di mana para peneliti mengeksplorasi potensi resonator untuk mengukur gaya kecil atau perubahan massa. Dengan memanfaatkan keadaan kuantum, para ilmuwan berharap dapat lebih meningkatkan sensitivitas resonator, membuka pintu menuju pengukuran yang lebih akurat dan kemungkinan-kemungkinan menarik dalam teknologi kuantum.
Resonator mekanis telah menjadi alat penting untuk berbagai aplikasi selama berabad-abad, terutama karena kemampuannya bergetar pada frekuensi tertentu. Contoh umum adalah garpu tala, yang ketika dipukul, berosilasi pada frekuensi resonansinya untuk menghasilkan gelombang suara dalam jangkauan pendengaran manusia.
Dengan kemajuan dalam fabrikasi mikro, para peneliti telah berhasil mengecilkan resonator ini menjadi mikro dan skala nano ukuran. Pada skala yang lebih kecil ini, resonator bergetar pada frekuensi yang jauh lebih tinggi dan mencapai sensitivitas yang jauh lebih besar dibandingkan resonator yang lebih besar.
Kemajuan dalam Fabrikasi Mikro dan Potensi Kuantum
“Sifat-sifat ini membuatnya berguna dalam eksperimen presisi, misalnya untuk merasakan gaya yang sangat kecil atau perubahan massa. Baru-baru ini, resonator nanomekanis telah meningkatkan minat yang signifikan di kalangan fisikawan kuantum karena potensi penggunaannya dalam teknologi kuantum. Misalnya, penggunaan keadaan gerak kuantum akan meningkatkan sensitivitas resonator nanomekanis lebih jauh lagi,” kata Witlef Wieczorek, Profesor Fisika di Universitas Teknologi Chalmers dan pemimpin proyek penelitian.
Persyaratan umum untuk aplikasi ini adalah resonator nanomekanis harus mempertahankan osilasinya dalam waktu lama tanpa kehilangan energinya. Kemampuan ini diukur dengan faktor kualitas mekanik. Faktor kualitas mekanis yang besar juga menyiratkan bahwa resonator menunjukkan peningkatan sensitivitas dan keadaan gerak kuantum bertahan lebih lama. Properti ini sangat dicari dalam aplikasi teknologi penginderaan dan kuantum.
Tantangan Dengan Silikon Nitrida
Sebagian besar resonator nanomekanis dengan kinerja terbaik terbuat dari silikon nitrida tegangan tarik, bahan yang terkenal dengan kualitas mekaniknya yang luar biasa. Namun, silikon nitrida cukup “membosankan” dalam aspek lain: tidak menghantarkan listrik, juga tidak bersifat magnetis atau piezoelektrik. Keterbatasan ini telah menjadi rintangan dalam aplikasi yang memerlukan kontrol in-situ atau antarmuka resonator nanomekanis ke sistem lain. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, maka diperlukan penambahan bahan fungsional di atas silikon nitrida. Namun penambahan ini cenderung mengurangi faktor kualitas mekanik yang membatasi kinerja resonator.
Terobosan Dengan Aluminium Nitrida
Kini, para peneliti di Universitas Teknologi Chalmers dan Universitas Magdeburg, Jerman, membuat lompatan besar dengan mendemonstrasikan resonator nanomekanis yang terbuat dari aluminium nitrida tegangan tarik, bahan piezoelektrik yang mempertahankan faktor kualitas mekanik yang tinggi.
“Bahan piezoelektrik mengubah gerakan mekanis menjadi sinyal listrik dan sebaliknya. Ini dapat digunakan untuk pembacaan langsung dan kontrol resonator nanomekanis dalam aplikasi penginderaan. Teknologi ini juga dapat digunakan untuk menghubungkan derajat kebebasan mekanik dan listrik, yang relevan dalam transduksi informasi, bahkan hingga rezim kuantum,” kata Anastasiia Ciers, spesialis penelitian teknologi kuantum di Chalmers dan penulis utama studi yang diterbitkan di Materi Lanjutan.
Faktor Kualitas Tinggi dan Tujuan Masa Depan
Resonator aluminium nitrida mencapai faktor kualitas lebih dari 10 juta.
“Hal ini menunjukkan bahwa aluminium nitrida tegangan tarik bisa menjadi platform material baru yang kuat untuk sensor kuantum atau transduser kuantum,” kata Witlef Wieczorek.
Para peneliti sekarang memiliki dua tujuan utama: untuk lebih meningkatkan faktor kualitas perangkat, dan untuk mengerjakan desain resonator nanomekanis realistis yang memungkinkan mereka memanfaatkan piezoelektrik untuk aplikasi penginderaan kuantum.
Referensi: “Resonator AlN Kristal Nanomekanis dengan Faktor Kualitas Tinggi untuk Optoelektromekanik Kuantum” oleh Anastasiia Ciers, Alexander Jung, Joachim Ciers, Laurentius Radit Nindito, Hannes Pfeifer, Armin Dadgar, André Strittmatter dan Witlef Wieczorek, 17 September 2024, Materi Lanjutan.
DOI: 10.1002/adma.202403155
Pendanaan: Knut dan Alice Wallenbergs Stiftelse, Pusat Teknologi Kuantum Wallenberg, Vetenskapsrådet, Marie Sklodowska-Curie Actions, Yayasan Knut dan Alice Wallenberg Academy Fellow, proyek QuantERA CMonQSens!
