從宏觀引力波探測器到納米級聲學器件，具有高長寬比的機械諧振器在精密傳感領域發揮著舉足輕重的作用。然而，制造方面的挑戰和高昂的計算成本限制了這些器件的長度與厚度之比，在納米工程設計方面有待進一步開發。

據麥姆斯咨詢介紹，荷蘭代爾夫特理工大學和美國布朗大學的研究人員開發出了一種新型“納米弦（nanostring）”，由其制成的室溫機械諧振器具有有史以來最高的品質因數，可以在前所未有的長時間內振動，幾乎不耗散任何能量。該器件長度為厘米級，而直徑僅為納米級，可用于探測重力等超微小的力。

納米機械諧振器是一種微小的振動梁，能以極高的諧振頻率（通常在兆赫茲或千兆赫茲范圍內）振蕩。它們可用于無線通信信號處理，也可用于基礎研究，以檢測并確定單個DNA分子或病毒等微小物體的質量。后一種應用的工作原理是，每當一個小粒子被吸收到振動梁上時，其振動的頻率就會發生變化，這種變化可以被監測到并用來計算粒子的質量。

細長型諧振器比長寬比較低的諧振器靈敏度更高，但卻難以制造。在這項最新的研究中，荷蘭代爾夫特理工大學Richard Norte和美國布朗大學Miguel Bessa領導的聯合研究團隊利用機器學習設計諧振器，并采用先進的納米制造工藝克服了這一難題。由此獲得的“納米弦”長度為3厘米，厚度僅為70納米。

“相當于一根用陶瓷材料制成的1毫米粗琴弦，但另一端可以自由懸掛在半公里之外，而且弦本身幾乎沒有任何下垂。”Norte說，“這樣的結構，在日常的宏觀尺度上是不可能制造出來的。”

Norte補充說，這種新型振動傳感器可以記錄科學研究中遇到的最小的力，其靈敏度過去只有在接近絕對零度下才能達到。其靈敏度源于極高的品質因數，在千赫茲頻率下，其品質因數高達100億，這意味著納米弦每秒可振動100000次，而能量損失極小。

前所未有的靈敏度

多保真貝葉斯優化

為了制造這種傳感器，研究人員選擇了一種常用于諧振器的高應力材料氮化硅（Si?N?）。通過利用一種稱為多保真貝葉斯優化的算法，幫助他們快速有效地找到了優選的設計方案。首先，研究人員明確該算法應考慮器件置于硅微型芯片上，由幾十納米厚的Si?N?薄片制成，并在幾厘米的長度上自由懸浮。

“納米弦”諧振器的制造過程

該算法建議采用長度為3厘米、長寬比大于4.3 x 10?的諧振器。為了按照這一苛刻規格制造，研究人員將Si?N?沉積在用低壓化學氣相沉積（LPCVD）技術制造的2毫米硅晶圓上。然后，他們使用電子束刻蝕或光刻技術制作了一個“支架”層，再使用化學刻蝕技術將其去除。Norte介紹說，最后這一步獲得了在制造過程中沒有受到任何額外力的納米弦，否則可能會導致納米弦坍塌或斷裂。

破紀錄的品質因數

為了對該器件進行表征，研究小組用壓電臺使其振動，然后使用光學干涉儀測量振動停止所需的時間。這些“衰減”測量結果提供了有關諧振器振幅衰減速度的信息，因此也提供了有關能量耗散速度的信息，這些值隨后被用來計算品質因數。對于一個3厘米長的Si?N?納米弦，在室溫下獲得了超過6.5 x 10?的品質因數，這是迄今有記錄的此類機械夾緊諧振器的最高值。

品質因數驗證

該研究成果已發表于Nature Communications期刊，論文介紹稱基于這種微芯片的諧振器幾乎沒有能量外部損失。他們說，這是因為振動被“困”在了納米弦的中部。Norte解釋說：“這也意味著，來自我們日常高溫環境的噪音也無法進入納米弦的中心，因此它相當于被屏蔽了，這也使其能夠感知最微小的力。這有點像秋千，一旦被推動，就能一直蕩上近100年，因為它幾乎不會通過繩索損失任何能量。”

研究人員現在希望制造出更復雜的結構，如膜或鼓面。他們還在研究如何利用高長寬比的納米技術制造超薄透鏡或反射鏡。Norte說：“這些技術可應用于成像、傳感甚至太空任務，例如將反射帆送入星際空間的‘突破攝星’計劃。我們認為，這其實只是納米技術與機器學習相結合的新玩法的開始。”

審核編輯：彭菁