Menentang Gravitasi: Nanostring yang Meniru Efek Kuantum pada Suhu Kamar

Para peneliti dari TU Delft dan Brown College telah mengembangkan resonator mirip tali yang dapat bergetar lebih lama pada suhu sekitar dibandingkan benda padat lainnya yang diketahui.

Para peneliti dari TU Delft dan Brown College telah mengembangkan resonator mirip tali yang dapat bergetar lebih lama pada suhu sekitar dibandingkan benda padat lainnya, mendekati kinerja yang biasanya hanya terlihat di dekat nol mutlak. Diterbitkan di Komunikasi Alamstudi mereka memajukan bidang nanoteknologi dan pembelajaran mesinmenciptakan beberapa sensor mekanis paling sensitif di dunia.

Nanostring yang baru dikembangkan memiliki faktor kualitas mekanis tertinggi yang pernah tercatat untuk objek penjepit apa pun di lingkungan bersuhu ruangan; dalam kasus mereka dijepit ke microchip. Hal ini membuat teknologi ini menarik untuk diintegrasikan dengan platform microchip yang sudah ada. Faktor kualitas mekanis menunjukkan seberapa baik energi keluar dari benda yang bergetar. Senar ini dirancang khusus untuk memerangkap getaran dan tidak membiarkan energinya bocor.

Ayunan 100 tahun pada microchip

“Bayangkan sebuah ayunan yang, sekali didorong, akan terus berayun selama hampir 100 tahun karena hampir tidak kehilangan energi melalui talinya,” kata profesor Richard Norte. “Nanostring kami melakukan hal serupa tetapi bukannya bergetar sekali per detik seperti ayunan, string kami bergetar 100.000 kali per detik. Karena energi sulit bocor, kebisingan lingkungan juga sulit masuk, menjadikannya salah satu sensor terbaik untuk lingkungan bersuhu ruangan.

Inovasi ini sangat penting untuk mempelajari fenomena kuantum makroskopis pada suhu kamar—lingkungan di mana fenomena tersebut sebelumnya tertutup oleh kebisingan. Meskipun hukum aneh mekanika kuantum biasanya hanya terlihat pada atom tunggal, kemampuan nanostring untuk mengisolasi diri dari kebisingan getaran berbasis panas sehari-hari memungkinkan mereka membuka jendela ke tanda kuantumnya sendiri; string yang terbuat dari miliaran atom. Dalam lingkungan sehari-hari, kemampuan semacam ini memiliki kegunaan yang menarik untuk penginderaan berbasis kuantum.

Profesor Richard Norte di labnya di Fakultas Teknik Mesin Universitas Teknologi Delft. Kredit: Studio Bergelombang untuk Universitas Teknologi Delft

Kecocokan luar biasa antara simulasi dan eksperimen

“Proses manufaktur kami berjalan ke arah yang berbeda dibandingkan dengan apa yang mungkin dilakukan dalam nanoteknologi saat ini,” kata Dr. Andrea Cupertino, yang memelopori upaya eksperimental. Senarnya memiliki panjang 3 sentimeter dan tebal 70 nanometer, namun jika ditingkatkan, ini akan setara dengan pembuatan senar gitar dari kaca yang digantung setengah kilometer tanpa melorot. “Struktur ekstrem semacam ini hanya mungkin dilakukan pada skala nano di mana efek gravitasi dan berat masuk secara berbeda. Hal ini memungkinkan adanya struktur yang tidak mungkin dilakukan pada skala sehari-hari, namun sangat berguna pada perangkat mini yang digunakan untuk mengukur besaran fisik seperti tekanan, suhu, percepatan, dan medan magnet, yang kami sebut penginderaan MEMS,” jelas Cupertino.

Nanostring dibuat menggunakan teknik nanoteknologi canggih yang dikembangkan di TU Delft, mendorong batas-batas pembuatan struktur nano yang tipis dan panjang. Kunci dari kolaborasi ini adalah bahwa struktur nano ini dapat dibuat dengan sempurna pada sebuah microchip, sehingga terdapat kesesuaian yang luar biasa antara simulasi dan eksperimen – yang berarti bahwa simulasi dapat bertindak sebagai knowledge untuk algoritma pembelajaran mesin, dibandingkan eksperimen yang mahal. “Pendekatan kami melibatkan penggunaan algoritme pembelajaran mesin untuk mengoptimalkan desain tanpa terus-menerus membuat prototipe,” kata penulis utama Dr. Dongil Shin, yang mengembangkan algoritme ini bersama Miguel Bessa. Untuk lebih meningkatkan efisiensi perancangan struktur element besar ini, algoritme pembelajaran mesin dengan cerdas memanfaatkan wawasan dari eksperimen string yang lebih sederhana dan lebih pendek untuk menyempurnakan desain string yang lebih panjang, sehingga menjadikan proses pengembangan menjadi ekonomis dan efektif.

Menurut Norte, keberhasilan proyek ini merupakan bukti kolaborasi yang bermanfaat antara para ahli di bidang nanoteknologi dan pembelajaran mesin, yang menggarisbawahi sifat interdisipliner dari penelitian ilmiah mutakhir.

Navigasi inersia dan mikrofon generasi berikutnya

Implikasi dari nanostring ini melampaui ilmu pengetahuan dasar. Mereka menawarkan jalur baru yang menjanjikan untuk mengintegrasikan sensor yang sangat sensitif dengan teknologi microchip standar, yang mengarah pada pendekatan baru dalam penginderaan berbasis getaran. Meskipun studi awal ini berfokus pada string, konsepnya dapat diperluas ke desain yang lebih kompleks untuk mengukur parameter penting lainnya seperti akselerasi untuk navigasi inersia atau sesuatu yang lebih mirip drumhead yang bergetar untuk mikrofon generasi berikutnya. Penelitian ini menunjukkan beragam kemungkinan ketika menggabungkan kemajuan nanoteknologi dengan pembelajaran mesin untuk membuka batas-batas baru dalam teknologi.

Referensi: “Resonator nanomekanis skala sentimeter dengan disipasi rendah” oleh Andrea Cupertino, Dongil Shin, Leo Guo, Peter G. Steeneken, Miguel A. Bessa dan Richard A. Norte, 18 Mei 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-48183-7