‘Trillingen op een chip voelen magnetisch veld’

Wetenschappers van het onderzoeksinstituut Amolf zijn erin geslaagd het gedrag van mechanische trillingen op een chip te laten lijken op elektrische stroom in een magnetisch veld. Dat opent de deur naar het beter verwerken van signalen in mobiele telefoons, en dus naar verbeterende functionaliteiten. De studie is gepubliceerd in het Engelse wetenschapstijdschrift Nature Nanotechnology.

Elektronen zijn zéér klein, negatief geladen deeltjes. Dankzij hun lading staan ze onder invloed van magnetische velden. Die velden zorgen er bijvoorbeeld voor dat elektronen zich in een curve voortbewegen. Geluidsgolven, of beter gezegd voortbewegende mechanische trillingen, voelen een magnetisch veld juist niet omdat ze geen lading dragen.

Door siliciumsnaren op de nanometerschaal te beschijnen met laserlicht lieten de onderzoekers de mechanische trillingen springen van de ene naar de andere snaar, op dezelfde manier als elektronen in een magnetisch veld. Dit betekent dat er nieuwe manieren ontstaan om geluidsgolven te beïnvloeden – en daarmee dus de informatie die ze overbrengen op chips.

Exotisch gedrag

Een elektron dat een pad volgt in een magnetisch veld volgt niet hetzelfde pad terug als het in de tegenovergestelde richting wordt gestuurd. Dit principe ligt aan de basis van allerhande exotisch gedrag van elektronen op de nanometerschaal.

Ewold Verhagen van Amolf legt uit dat het voor veel toepassingen nuttig zou zijn als hetzelfde is te bereiken voor trillingen en geluidsgolven. ‘Dus dat we hun symmetrische manier van voortplanten kunnen breken. Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan want mechanische trillingen hebben geen lading, en dit maakt ze onzichtbaar voor magnetische krachten.’

Door te experimenteren met het laten trillen van snaren van de nanometerschaal onder invloed van laserlicht ontdekte Verhagen en zijn team dat het voortbewegen van trillingen verschillend is bij tegenovergestelde richtingen. ‘De symmetrie die we normaal gesproken zien bij voortplantende mechanische trillingen (geluid) is gebroken’, aldus Verhagen. Bij de eerder omschreven situatie van elektronen in een sterk magnetisch veld gebeurt hetzelfde. ‘In feite simuleren we een magnetisch veld voor de deeltjes zonder lading, de fononen die samen de geluidsgolf vormen. Wij zijn de eerste die dit gedaan hebben met een experiment op de nanometerschaal.’

De wetenschapper meent dat een ‘magnetisch veld’ voor geluid op termijn toepassingsmogelijkheden biedt voor mechanische resonatoren op de nanometerschaal. Nanomechanische resonatoren worden in toenemende mate gebruikt als sensoren en voor het verwerken van signalen in mobiele telefoons. ‘Dus als we deze processen beter beheersen biedt dat vooruitzichten op betere functionaliteiten.’

Maar de ontdekkingen zijn volgens Verhagen vooral van belang voor een beter fundamenteel begrip van geluid. ‘De ontdekking van het gedrag van elektronen in een magnetisch veld heeft geleid tot Nobelprijs-ontdekkingen zoals het Kwantum-Hall-Effect, en ligt ten grondslag aan speciale eigenschappen van grafeen en Majorana-deeltjes. Wie weet wat voor spannende ontdekkingen er nog komen op het gebied van geluidsgolven in een ‘magnetisch’ veld.’