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TU Delft、世界で最も正確なマイクロチップセンサを開発

December, 10, 2021, Delft--TU Delft(デルフト工科大学)研究チームは、世界で最も正確なマイクロチップセンサの一つを設計することに成功した。デバイスは、室温で動作し、量子技術とセンシングの「渇望の製品」である。
クモの巣からヒントを得て、ナノテクノロジーとマシンラーニングの組合せを使い、研究チームは、日常的なノイズから極度に隔離された状態でナノメカニカルセンサを振動させることができた。このブレイクスルーは、Advanced Materialsに発表されており、量子インターネット、ナビゲーション、センシングとともに、重力やダークマターの研究に重要な影響を与える。

センサあるいは量子ハードウエアで使われるような最小スケールで振動する物体を研究する際の最大の課題の一つは、その脆弱な状態への環境音の干渉を防ぐ方法である。例えば、量子ハードウエアは、通常は1台が50万ドルの冷凍機で絶対零度付近(-273.15°C)に保存されている。TU Delftの研究者は、クモの巣形状のマイクロチップセンサを開発した。これは、部屋の室温ノイズから隔離されており、分解能が極めて優れている。他の用途では、この発見は、量子デバイスの構築をかなり安価にするものである。

研究リーダー、Richard Norteと Miguel Bessaは、ナノテクノロジーとマシンラーニングを統合する方法を探していた。
 研究チームは、Bayesian最適化というアルゴリズムを使い、少ない試行で最適設計を見つけ出した。
 アルゴリズムは、150の異なるクモの巣設計から相対的に簡素なクモの巣を提案。これは、一見シンプルな方法でわずか6ストランドの結合で構成されている。「Dongil Shinのコンピュータシミュレーションは、そのデバイスが室温で動作し、原子振動は多いが、環境へのエネルギー漏出は信じられないほど少ないことを示していた。マシンラーニングと最適化により、Richardのクモの巣コンセプトをこの非常に優れたQファクタに適用した」(Bessa)。

この新しい設計をベースにして、論文の共同筆頭著者、Andrea Cupertinoは、SiN(シリコンナイトライド)という極薄、ナノメートル厚のセラミック材料でマイクロチップセンサを構築した。チームは、そのモデルをマイクロチップの「ウエブ」を強く振動させてテストした。また、振動が止まるまでにかかる時間を計測した。結果は素晴らしく、室温で記録破りの隔離振動だった。「われわれのマイクロチップウエブ外にほぼエネルギー損失がないことを確認した。振動は、内部の円で動き、外部にはヒットしない」(Norte)。

クモの巣ベースのセンサで、研究者は、この学際的な戦略が科学に新たなブレイクスルーの道を開く方法を示している。この新しいパラダイムは、量子インターネット、センシング、マイクロチップ技術、基礎物理学に興味深い意味がある。例えば、計測が極めて困難な、重力、ダークマターなど、極微力の研究である。
(詳細は、https://www.tudelft.nl/)