Menor capacitor do mundo impulsiona as medições quânticas

Avançando as medições

A miniaturização de sistemas mecânicos, como os MEMS (sistemas microeletromecânicos), NEMS (sistemas nanoeletromecânicos) e os micro e nano robôs, sempre esbarrou em dificuldades técnicas e físicas.

Mas parece que há meios de contornar esses problemas, causados sobretudo pela Força de Casimir – quando ficam pequenas demais, as peças grudam umas nas outras ou se desgastam rapidamente por um atrito muito maior do que aquele que ocorre em escala macro.

Ioan Ignat e colegas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, atingiram um nível de precisão e miniaturização dos sistemas nanomecânicos que permitirá que eles sejam usados até mesmo em microscópios de força atômica, elevando ainda mais a já ultra-alta resolução desses equipamentos de ponta.

A demonstração disso está em um mecanismo formado por uma membrana de alumínio móvel e um eletrodo fixo, separados um do outro por meros 32 nanômetros. Juntos, os dois componentes formam um capacitor de placas paralelas extremamente compacto – na verdade, este é o menor capacitor já fabricado, um novo recorde mundial.

Essa estrutura tem muitas aplicações, mas a equipe está focada em seu uso em sensores de alta precisão, como os necessários para a microscopia de força atômica.

Superando os limites das medições

O recorde de menor capacitor do mundo é mais do que apenas uma façanha impressionante de miniaturização, ele faz parte de uma estratégia mais ampla da equipe, que pretende nada menos do que avançar o limite de precisão das medições, fazendo avançar o campo da metrologia quântica.

O trabalho integra diversas plataformas de hardware para tornar a detecção quântica mais fácil de usar, mais robusta e mais versátil. Hoje é comum usar sistemas optomecânicos, nos quais o movimento de minúsculas estruturas mecânicas é detectado e medido por meio da luz. No entanto, os sistemas ópticos são delicados, complexos e difíceis de integrar em sistemas compactos e portáteis. A saída adotada pela equipe consiste em focar em outros tipos de oscilações que não as das ondas de luz.

Em outros experimentos, a equipe já havia utilizado ressonadores puramente mecânicos, cujas vibrações podem ser acopladas deliberadamente umas às outras. No novo capacitor de 32 nanômetros, essa função é desempenhada por um circuito ressonante elétrico.

Ambas as plataformas perseguem o mesmo objetivo: Refinar nanoestruturas mecânicas e eletromecânicas a ponto de viabilizar medições limitadas apenas pelas leis fundamentais da física quântica.

Eliminando o ruído da luz

Quando você toca um tambor, a membrana do instrumento vibra, com o som produzido revelando o grau de tensão da membrana. “De maneira semelhante, as vibrações da nossa nanomembrana são influenciadas por diversos parâmetros,” explicou Daniel Platz, membro da equipe. “Nossa membrana de alumínio forma um minúsculo capacitor juntamente com um eletrodo. Combinado com um indutor, isso cria um circuito ressonante cuja ressonância é extremamente sensível a qualquer mudança na vibração mecânica.”

Esse acoplamento entre o movimento da membrana e o circuito ressonante elétrico possibilita a medição de vibrações extremamente pequenas. Mas há dificuldades, porque essas medições são sempre afetadas por “ruídos”. Em termos mais precisos esses ruídos são na verdade incertezas provenientes de diversas fontes – por exemplo, a temperatura do sistema pode introduzir ruído, e os sinais ópticos ou elétricos são inerentemente ruidosos porque consistem em partículas discretas.

Assim, mesmo que possam teoricamente ser mais precisos, os métodos de medição baseados em luz sofrem muita interferência. O circuito construído agora pela equipe, por outro lado, alcança um desempenho muito melhor na supressão dos ruídos, limitado apenas pelas leis da física quântica, sem depender de componentes ópticos.

É isso que torna a tecnologia uma parceira ideal para a microscopia de força atômica. Em um microscópio de força atômica, uma ponta fina se move logo acima da superfície da amostra a ser visualizada. Pequenas forças entre os átomos da superfície e a ponta geram vibrações, e a medição dessas vibrações permite construir uma imagem extremamente precisa da superfície. “Substituímos as medições ópticas por medições do circuito ressonante elétrico – completamente sem componentes ópticos volumosos,” concluiu Ignat.