Wiener und Münchner Wissenschafter können erstmals konstruktionsbedingte Dämpfung einer Schwingung berechnen
Wien - Auf der Suche nach idealem Equipment für ihre Experimente haben
Wiener und Münchner Quantenphysiker ein klassisches Ingenieursproblem
gelöst, mit dem in der Vergangenheit bereits zahlreiche Wissenschafter gerungen haben. Die Forscher haben eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der sich die
konstruktionsbedingte Dämpfung einer Schwingung vorausberechnen lässt. Das in
der neuen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Nature Communications
veröffentlichte Verfahren ist maßstabsunabhängig und kann bei Nano-Bauteilen
ebenso angewendet werden wie bei großen Systemen des Alltags.
Musikinstrumente sind die bekanntesten Beispiele für Resonatoren. Die mechanischen Schwingungen der Klangstäbe eines Xylophons oder einer Gitarrensaite verursachen akustische Schwingungen, die wir als Ton hören. Die Reinheit des Klangs ist eng verknüpft mit dem Rückgang der Schwingungsamplitude durch die mechanische Dämpfung. Zur Beschreibung der mechanischen Verluste nutzen die Wissenschafter den Qualitätsfaktor "Q", der die Anzahl der Schwingungen beschreibt, bis die Amplitude der Schwingung auf einen Bruchteil des Ausgangswertes abgeklungen ist. Je größer der "Q-Faktor", desto reiner klingt der Ton und umso länger schwingt das System, bis der Ton durch die mechanischen Verluste verstummt.
Verfahren mit breiten Anwendungsmöglichkeiten
Auch in der Mikroelektronik gewinnen mechanische Resonatoren zunehmend an Bedeutung. Sie werden eingesetzt als Filterelemente in drahtlosen Kommunikationssystemen oder als Timing-Oszillatoren für kommerzielle Elektronik. Die aktuelle Grundlagenforschung nutzt mikromechanische Resonatoren zur Entwicklung hochempfindlicher biologischer Sensoren, quantenelektronischer und optomechanischer Bauteile. Hierbei sind extrem reine Schwingungen erwünscht, um bestimmte Signale herauszufiltern oder kleinste Frequenzverschiebungen zu messen.
Für viele dieser Anwendungen ist es notwendig, die mechanischen Verluste zu minimieren. Allerdings war es selbst bei einfachen Geometrien bisher nahezu unmöglich, den erreichbaren Gütefaktor Q vorauszuberechnen. Diese Hürde haben die Forschungsteams aus Wien und München (Garching) überwunden. Mit ihrem neuen Berechnungsverfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode können sie nun die designbedingte Dämpfung nahezu beliebiger Resonatorgeometrien vorausberechnen.
"So wie man eine Lichtwelle auch als Teilchen, also Photon, beschreiben kann, können sich auch mechanische Schwingungen wie Teilchen verhalten, man spricht hier von sogenannten Phononen. Wir berechnen nun, wie die von der Schwingung des Resonators ausgehenden Phononen in den Träger des Resonators abstrahlen", erklärt Garrett Cole, Senior Researcher in der Arbeitsgruppe von Markus Aspelmeyer am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der Universität Wien. "Damit schaffen wir die Möglichkeit, diese Probleme berechnen zu können. Das ist ein Durchbruch für die gezielte Konstruktion solcher Bauteile."
Maßstabsunabhängiges Berechnen am Standard-PC
Die Idee geht zurück auf eine frühere Arbeit von Ignacio Wilson-Rae, Physiker an der Technischen Universität München und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). In enger Zusammenarbeit haben die Teams in Garching und Wien nun eine einfache numerische Lösung entwickelt, die die Berechnung der mechanischen Verluste auf einem Standard-PC ermöglicht. Die Vorhersagekraft des numerischen "Q-Solver" setzt dem gegenwärtigen Rätselraten und Herumprobieren bei der Gestaltung von mechanischen Resonatoren ein Ende. Besonders stolz sind die Physiker darauf, dass ihr Verfahren maßstabsunabhängig ist und so auf eine breite Palette von Szenarien angewandt werden kann, von nanoskaligen Bauteilen bis hin zu makroskopischen Systemen. (red)
