Un nanotubo vibra como la cuerda de una guitarra

Imagínese estar en una cena y el anfitrión intenta llamar la atención de sus invitados para realizar un brindis, dando un golpe de su cuchara contra la copa de cristal. Ahora, imagínese, ante el asombro de todos, que el cristal vibra durante varios largos minutos, produciendo una frecuencia de sonido muy clara. Sin duda, los invitados se maravillarían con este tono perdurable en el tiempo. Algunos incluso podrían querer investigar el origen de este fenómeno en lugar de escuchar el discurso del anfitrión.

El secreto que está detrás de este sistema imaginario, que no cesa de vibrar, está en el hecho de que emite muy poca energía. La disipación de energía de un sistema de vibración se cuantifica por el factor de calidad. A nivel experimental, si se conoce ese factor de calidad del sistema,se puede cuantificar el tiempo en que el sistema puede vibrar, así como la cantidad de energía que puede perder el mismo en este proceso. Esto les permite determinar el grado de precisión que puede tener el resonador en medir o detectar objetos.

Los científicos utilizan resonadores mecánicos para estudiar todo tipo de fenómenos físicos. Los de nanotubos de carbono son muy demandaos debido a su tamaño extremadamente pequeño y su excepcional capacidad de detección de objetos a escalas nanométricas. A pesar de que son muy buenos sensores de masa y fuerza, sus factores de calidad han sido algo modesto.

En este marco, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han logrado un nuevo avance en el campo de la nanomecánica y un punto de partida para futuras tecnologías. En un artículo publicado en Nature Nanotechnology, Joel Moser y sus compañeros del grupo de investigación de NanoOptoMecánica del ICFO que dirige el profesor Adrian Bachtold, junto con Marc Dykman de la Universidad de Michigan (EE UU), informan sobre un experimento en el que un resonador mecánico basado en un nanotubo de carbono exhibe factores de calidad de hasta 5 millones, unas 30 veces más que los mejores factores de calidad medidos en nanotubos hasta el momento.

Un resonador mecánico es un sistema que vibra a frecuencias muy precisas. Al igual que una cuerda de guitarra, un resonador hecho de un nanotubo de carbono consiste en una pequeña estructura parecida a un puente colgante que vibra y que tiene unas dimensiones de 1μm de longitud por 1 nm de diámetro. Si el factor de calidad del resonador es alto, la cadena vibrará a una frecuencia muy precisa, permitiendo así que estos sistemas sean excelentes como sensores de masa y fuerza, o incluso muy atractivos para sistemas cuánticos.

La importancia del descubrimiento

Durante muchos años, los investigadores observaban que los factores de calidad disminuían proporcionalmente con el volumen del resonador, es decir, cuanto más pequeño era el resonador menor el factor de calidad, y debido a esto era impensable creer que los nanotubos podrían exhibir grandes factores de calidad. Los grandes factores de calidad que han medido los investigadores no se habían observado anteriormente en resonadores de nanotubos principalmente debido a que sus estados vibracionales son extremadamente frágiles y fácilmente perturbados cuando se realiza una medición.

Los valores detectados por el equipo de científicos se consiguieron mediante el uso de un nanotubo ultralimpio, en un ambiente a temperaturas de 30 mK (-273,12 grados Celsius, una temperatura menor que la del espacio exterior), empleando un método de ruido ultrabajo para detectar vibraciones minúsculas de forma muy rápida, e intentando reducir el ruido electrostático lo máximo posible.

Moser afirma que conseguir estos factores de calidad ha sido todo un reto, ya que "los resonadores de nanotubos son extremadamente sensibles a cargas eléctricas circundantes que fluctúan constantemente. Este ambiente tormentoso afecta fuertemente nuestra capacidad de capturar el comportamiento intrínseco de estos resonadores de nanotubos. Por esta razón, tuvimos que tomar un gran número de imágenes instantáneas del comportamiento mecánico del nanotubo.

Sólo unas pocas de estas imágenes instantáneas capturaron la naturaleza intrínseca de la dinámica del nanotubo, cuando la tormenta se calmó  momentáneamente. Durante estos periodos cortos de tranquilidad, el nanotubo nos reveló su enorme factor de calidad". Con el descubrimiento de tales factores de alta calidad de este estudio, los científicos del ICFO han logrado abrir todo un nuevo mundo de posibilidades para aplicaciones referentes a la detección, así como los experimentos cuánticos.

Por ejemplo, los resonadores de nanotubos podrían ser usados para detectar los espines nucleares individuales, lo que sería un paso importante hacia la formación de imágenes por resonancia magnética con una resolución espacial a nivel atómico. Por el momento, Adrian Bachtold comenta que poder lograr resonancias con resoluciones a nivel atómico sería fantástico. Pero, para esto, primero tendríamos que resolver varios problemas tecnológicos que son considerablemente desafiantes".

Referencia bibliográfica:

J. Moser, A. Eichler, J. Güttinger, M. I. Dykman, A. Bachtold, "Nanotube mechanical resonators with quality factors of up to 5 million". Nature Nanotechnology, 2014. Doi:10.1038/nnano.2014.234