یک دستگاه با فرکانس‌های بسیار

توضیح تصویر: این میکروگراف الکترونی اسکن کننده یک تشدید کننده میکرو الکترومکانیکی را نشان می دهد. تشدید کننده از سه میله سیلیکونی تک بلور تشکیل شده است که در هر دو انتها محکم شده اند. مرکز میله ها به دو درایو شانه ای برای راه اندازی و انتقال حرکت متصل هستند. ارتعاش اساسی میله در صفحه درایوهای شانه است. با این حال، در فرکانس های بالاتر، رزوناتور می تواند با یک حرکت پیچشی اطراف میله های مرکزی حرکت کند. هنگامی که این دو حرکت ارتعاشی تعامل می کنند، حرکت دوره ای می تواند القا شود که طیف آن شامل مضاربی از فرکانس ها با فاصله مساوی است که شامل شانه فرکانس می شود. این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی اسکن نانولایف FEI Nova 600 در مرکز مواد نانوساختار گرفته شد.
اعتبار: آزمایشگاه ملی آرژون
 

این برای انسان ها طبیعی است که زمان را از دست بدهند، اما اگر قرار باشد ساعت های ما نیز چنین کنند، چه اتفاقی می افتد؟ در یک جهان به طور فزاینده شبکه ای شونده، دستگاه ها باید دقیق تر از همیشه باشند. برای حفظ آنها مطابق انتظارمان، آنها به یک ارتش کوچک و اجزای ارتعاشی وابسته هستند.
 
یافته های تیمی که به رهبری دانشمندان مرکز مواد نانومقیاس (CNM)، یک مرکز استفاده از انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی Argonne، در نهایت می تواند به بهبود این اجزا در طیف وسیعی از الکترونیک کمک کند و حتی دستگاه هایی را ایجاد کند که فرآیندهای بیولوژیکی را تقلید کنند. محققان یک دستگاه میکرومکانیکی را پیشگام کرده اند که به سیگنال های خارجی در یک راه کاملاً جدید در مقایسه با راه های مرسوم پاسخ می دهد. کار آنها، که توسط یک تیم شامل پنج نهاد از جمله Argonne انجام شده بود، اخیرا در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
 
رزوناتور معمولی در یک دستگاه الکترونیکی به یک سیگنال با یک فرکانس مربوطه پاسخ می دهد. به عنوان مثال، در ساعتهای مچی، یک رزوناتور کوارتز در یک فرکانس خاص هنگامی که یک ولتاژ خاصی اعمال می شود، ارتعاش می دهد و این زمان لرزش را نشان می دهد. اما یک شبکه چند کاره از دستگاه ها ممکن است نیاز به پاسخ به بیش از یک فرکانس داشته باشد، و با این جا جایی است که همه چیز پیچیده می شود.
 
دانشمند علوم نانو در CNM، دیو چپلوفسکی، نویسنده اصلی مقاله، گفت: "برای هر دستگاهی که در یک فرکانس خاص کار می کند، شما نیاز به یک منبع زمانی دارید." "داشتن چندین دستگاه که در فرکانس های مختلف اجرا می شود، سیستم را بسیار پیچیده تر می کند."  در یک جهان به طور فزاینده شبکه ای شونده، دستگاه ها باید دقیق تر از همیشه باشند.
 
در حالی که یک رویکرد رایج برای این مشکل شامل چندین تشدید کننده، چندین سیگنال یا هر دو است، محققان یک رزوناتور میکرواندازه را ایجاد کردند که می تواند فرکانس های مختلف را از یک سیگنال تولید کند. این مجموعه‌ از فرکانس ها یک شانه فرکانس نامیده می شود، و به این دلیل اینگونه نامیده می شود که هنگامی که بر روی یک گراف قرار گیرند فرکانسها شبیه دندانه ها در فاصله های فضایی یکنواخت ظاهر می شوند.
 
دانیل لوپز، رهبر گروه برای گروه نانو ساخت و ماشین های CNM و همکار نویسنده در مقاله گفت: "نوآوری در اینجا این است که اگر این دستگاه رزوناتور را به شیوه ای مناسب تحریک کنید، ساختار با طیف فرکانسی متشکل از فرکانس های چندگانه که به طور یکنواخت فاصله دارند ارتعاش می کند، و این علی رغم این واقعیت است که توسط یک فرکانس واحد هدایت می شود،" "به جای ساخت یک نوسانگر خاص برای هر وسیله، شما می توانید نوسانگری را تولید کنید که می تواند سیگنالی را در تمام فرکانس های مختلف مورد نیاز تولید کند."
 
قسمتی از این پژوهش در CNM هدایت شده است، جایی که محققان رزوناتور را طراحی کرده و با استفاده از تکنیک های مشخصه ی الکتریکی برای اندازه گیری پاسخ های آن اقدام نمودند. دستگاه سیلیکونی، که بزرگتر از چند دانه نمک که پشت سر هم ردیف شده باشند نیست، سه میله را با هم نگاه می دارد که در دو ارتعاش با هم حرکت می کنند: یک حرکت نوسانی از این سو به آن سو و یک حرکت پیچشی. محققان از این دوگانگی برای تولید شانه فرکانس استفاده کردند.
 
Czaplewski گفت: "ما از فعل و انفعال بین آن دو ارتعاش استفاده می کنیم تا این پاسخ فرکانسی را به دست آوریم که این طور در می آید که شبیه یک شانه فرکانس باشد."  محققان یک رزوناتور میکرواندازه را ایجاد کردند که می تواند فرکانس های مختلف را از یک سیگنال تولید کند.
 
از شانه های فرکانس معمولا در زمینه اپتیک استفاده می شود، جایی که آنها از پالس های نور لیزری تشکیل شده و می توانند برای اندازه گیری زمان با دقت استفاده شوند. محققان گفتند که در کاربردی دیگراین شانه مکانیکی می تواند برای مطالعه نوع خاصی از پویایی، شناخته شده به عنوان یک دو شاخه شدگی SNIC (گره ی زینی روی یک دایره نامتغیر)، در سیستم های مکانیکی، اپتیکی و بیولوژیکی استفاده شود. برای مثال، در یک تنظیم بیولوژیکی، درک این رفتار می تواند در طراحی عناصر میکرومکانیکی کمک کند که راهی را که نورون ها به محرک ها پاسخ می دهند، تقلید می کنند. ریاضیاتِ توصیف کننده ارتعاشات در این رزوناتور در همکاری با یک تیم از کارشناسان در زمینه پویایی غیر خطی در دانشگاه های مختلف تدوین شده است.
لوپز گفت گام بعدی در این تحقیق، بازتولید پدیده شانه فرکانس در رزوناتورهای فرکانس بالاتر و بسط تعداد دندانه ها - یا فرکانس ها – است که می تواند تولید شود.
 
بخشی از این تحقیق توسط اداره علوم DOE تأمین هزینه می شود.


____________________ 
منابع:
مطالب ارائه شده توسط آزمایشگاه ملی DOE / Argonne، اصلاً نوشته شده توسط کریستینا نونز.