Onderzoekers van de TU Delft hebben een ultragevoelige microchipsensor ontwikkeld. Ze lieten zich inspireren door spinnenwebben en gebruikten kunstmatige intelligentie om tot het optimale ontwerp te komen.  

In de deeltjesfysica bestudeert men de deeltjes die zich binnen het atoom bevinden. Of objecten eigenlijk, want soms betreft het pakketjes van eigenschappen die eerder bij een golf dan bij een deeltje passen. In deze tak van de wetenschap zijn trillingsmeters handige werktuigen. Die moeten dan wel trillingen op nanoschaal of nog kleiner detecteren, en deze ook nog eens isoleren van de achtergrondruis.

Wetenschappers van de TU Delft zijn er nu in geslaagd om een apparaatje te bouwen dat dat kan. Ze maakten een microchipsensor die extreem goed resoneert, geïsoleerd van de alledaagse ruis die optreedt bij kamertemperatuur. Deze week maakten ze hun ontdekking kenbaar in het vakblad Advanced Materials.

 

Spinnenwebben

De onderzoekers lieten zich inspireren door spinnenwebben. ‘Ik realiseerde me opeens dat dat echt goede trillingsdetectoren zijn’, zegt de Delftse onderzoeker Richard Norte in een persbericht van de TU Delft.

Ook spinnen willen immers wel de trillingen binnen het web meten om hun prooi te vinden, maar niet de trillingen van buitenaf, zoals de wind of een langsrijdende auto. Norte: ‘Dus waarom niet meeliften op miljoenen jaren evolutie en een spinnenweb gebruiken als een eerste model voor een ultragevoelig apparaat?’

 

Bayesiaans

Om het beste ontwerp voor de sensor te vinden, maakten de ingenieurs gebruik van machine learning, waarbij de computer een algoritme gebruikte dat Bayesiaanse optimalisatie heet. Grofweg komt dit er op neer dat de software het start-ontwerp net zo lang aanpast tot het optimaal is – eerst met grote stappen, dan steeds verfijnder. 'Eerst exploratie, dan exploitatie', vat machine learning-expert Miguel Bessa van de TU Delft het samen.

Dit resulteerde uiteindelijk in een ontwerp voor een web bestaande uit zes ‘slierten’. Vervolgens bouwden ze de microchipsensor met een ultradunne, nanometer-dikke film van het keramische materiaal siliciumnitride.

 

Test

Tenslotte testten de onderzoekers de sensor door het 'web' van de microchip krachtig te laten trillen en de tijd te meten die nodig was om de trillingen te stoppen. Het resultaat was een recordbrekende geïsoleerde trilling bij kamertemperatuur.

Norte: ‘En we vonden bijna geen energieverlies buiten ons microchip-web: de trillingen bewogen in een cirkel aan de binnenkant en raakten de buitenkant niet.’

 

Quantum

Dat de sensor zo goed werkt bij kamertemperatuur, is een groot voordeel – bijvoorbeeld voor het gebruik in quantumcomputers. Om achtergrondruis te minimaliseren, wordt quantumhardware normaal gesproken bewaard bij temperaturen die het absolute nulpunt (dat is 273,15 graden Celcius onder nul) benaderen. Dat is duur, de benodigde koelkasten kosten een half miljoen euro per stuk. Naast andere toepassingen kan deze nieuwe ontdekking op termijn het bouwen van quantumapparaten hopelijk betaalbaarder maken.

 

Openingsbeeld: Artist impression van een kunstmatig spinnenweb gesondeerd met laserlicht, Felix Vu. Credits: Optics lab TU Delft