Delftenaren meten mechanische trillingen kleiner dan de afmeting van een atoomkern

De sensor die in een auto de airbag laat openschieten op het moment van een botsing is één van de vele voorbeelden van zogeheten micro-elektromechanische systemen (MEMS). Deze systemen reageren op elektrische en mechanische prikkels (bijvoorbeeld het in trilling brengen van een superklein balkje - de resonator). Het zal niemand verwonderen dat er alom wordt gewerkt aan dergelijke systemen met nog kleinere afmetingen: nano-elektromechanische systemen (NEMS). De verwachtingen zijn hooggespannen: kleinere sensoren die goedkoper en nog gevoeliger zijn dan MEMS of devices die minder energie verbruiken bij hogere frequenties. Door hun zeer kleine afmetingen kunnen NEMS prima geïntegreerd worden in chips. Die zeer kleine afmetingen bepalen ook dat de quantummechanica bij lage temperaturen een overheersende rol gaat spelen in het gedrag van de resonator. Atomen zijn door hun temperatuur altijd in trilling. Daardoor trilt ook een resonator van nature. Bij hoge temperaturen overheersen deze trillingen de quantummechanische effecten, maar bij voldoende lage temperaturen worden ze wel relevant. Door de NEMS tot vlak bij het absolute nulpunt af te koelen, maak je het mogelijk om trillingen waar te nemen die niet door de temperatuur worden veroorzaakt, maar quantummechanisch van aard zijn. Dit zijn de allerkleinste trillingen die de resonator kan maken. Een belangrijke vraag is: hoe meet je dat? 

De combinatie van een zogeheten SQUID en een mechanische resonator moet daar uitkomst bieden. Een SQUID - de afkorting staat voor superconducting quantum interference device - is het gevoeligste systeem dat er bestaat om veranderingen in magnetische veldsterkte te meten. Inbouwen van een micromechanische resonator in een gelijkstroom SQUID moet het mogelijk maken de resonator gecontroleerd te laten trillen, de grootte van die trillingen - de uitwijking van de trillende resonator - te meten en de ruimtelijke positie van de resonator tot tegen de zogeheten quantumlimiet te bepalen. De quantummechanica dicteert dat je een positie nooit nauwkeuriger dan die quantumlimiet kunt vaststellen.

Onderzoekers bij het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en collega's van de NTT Basic Research Laboratories in Japan hebben als eersten een werkende combinatie van een SQUID en een mechanische resonator gerealiseerd. Met dit systeem hebben ze de warmtetrillingen van hun resonator bij een temperatuur van enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt gemeten. Daarbij konden ze een uitwijking van de resonator vaststellen van minder dan 10 femtometer (een femtometer is een miljoenste nanometer), een nauwkeurigheid van 36 keer de quantumlimiet. De gemeten uitwijking is kleiner dan de afmetingen van een atoomkern. "Ik vind dit nog steeds bijna ongelooflijk", zegt projectleider prof.dr. Herre van der Zant. Verdere verbeteringen zijn volgens hem met aanpassingen in het ontwerp van hun systeem en de meetmethode haalbaar. Er zijn ook wel andere methoden die een vergelijkbare resolutie halen, maar Van der Zant verwacht dat hun methode uiteindelijk de gevoeligste on-chip methode zal blijken te zijn.

Meer informatie bij prof.dr.ir. Herre van der Zant, telefoon (015) 278 77 33.

Referentie
'Motion detection of micromechanical resonator embedded in a d.c. SQUID', Samir Etaki, Menno Poot, Imran Mahboob, Koji Onomitsu, Hiroshi Yamaguchi en Herre van der Zant, Advance Online Publication, website Nature Physics, 31 augustus 2008.

Etaki, Poot en Van der Zant zijn verbonden aan het Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft. Etaki is tevens verbonden aan NTT Basic Research Laboratories, NTT Corporation, Japan, net als de overige auteurs.

Het onderzoek is mede gefinancierd door JSPS Kakenhi (Japan), FOM, NWO-VICI en NanoNed (www.nanoned.nl).