TU Delft maakt een van 's werelds meest precieze microchipsensoren - dankzij een spinnenweb

Nieuws - 24 november 2021 - Communication TNW

Een team onderzoekers van de TU Delft is erin geslaagd een van 's werelds meest precieze microchipsensoren te ontwerpen; het apparaat kan functioneren bij kamertemperatuur, een 'heilige graal' voor kwantumtechnologieën en detectie. Door een combinatie van nanotechnologie en machine learning met spinnenwebben als inspiratie, zijn ze erin geslaagd een nanomechanische sensor te laten trillen in extreme isolatie van alledaagse ruis. Deze doorbraak, die is gepubliceerd in de Rising Stars Issue van Advanced Materials, heeft grote implicaties voor de studie van zwaartekracht en donkere materie, alsook op het gebied van kwantuminternet, navigatie en detectie. 

Een van de grootste uitdagingen bij het bestuderen van vibrerende objecten op de kleinste schaal, zoals die worden gebruikt in sensoren of kwantum hardware, is hoe te voorkomen dat omgevingsgeluiden interfereren met hun fragiele toestand. Kwantum hardware wordt bijvoorbeeld gewoonlijk bewaard bij temperaturen die het absolute nulpunt (-273,15°C) benaderen, waarbij koelkasten een half miljoen euro per stuk kosten. Onderzoekers van de TU Delft creëerden een webvormige microchipsensor die extreem goed resoneert, geïsoleerd van kamertemperatuurruis. Naast andere toepassingen zal hun ontdekking het bouwen van kwantumapparaten veel betaalbaarder maken.

Met spinnenwebben als inspiratie en geleid door machine learning, demonstreren Richard Norte (links) en Miguel Bessa (rechts) een nieuw type sensor in het lab. [Fotografie: Frank Auperlé]

Meeliften op de evolutie

Richard Norte en Miguel Bessa, die het onderzoek leidden, waren op zoek naar nieuwe manieren om nanotechnologie en machine learning te combineren. Hoe kwamen ze op het idee om spinnenwebben als model te gebruiken? Richard Norte: "Ik deed dit werk al een decennium toen ik tijdens een lockdown een heleboel spinnenwebben opmerkte op mijn terras. Ik realiseerde me dat spinnenwebben echt goede trillingsdetectoren zijn, in die zin dat ze trillingen binnen het web willen meten om hun prooi te vinden, maar niet daarbuiten, zoals de wind door een boom. Dus waarom niet meeliften op miljoenen jaren evolutie en een spinnenweb gebruiken als een eerste model voor een ultragevoelig apparaat?" 

Omdat het team niets wist over de complexiteit van spinnenwebben, lieten ze het ontdekkingsproces leiden door machine learning. Miguel Bessa: "We wisten dat de experimenten en simulaties kostbaar en tijdrovend waren, dus besloten we met mijn groep een algoritme te gebruiken dat Bayesiaanse optimalisatie heet, om met maar weinig pogingen een goed ontwerp te vinden." Dongil Shin, mede-eerste auteur in dit werk, implementeerde vervolgens het computermodel en paste het machine-learning algoritme toe om het nieuwe ontwerp te vinden voor het apparaat.

Microchipsensor gebaseerd op spinnenwebben

Tot verrassing van de onderzoeker stelde het algoritme uit 150 verschillende spinnenwebontwerpen een relatief eenvoudig spinnenweb voor, dat bestaat uit slechts zes slierten die op een bedrieglijk eenvoudige manier aan elkaar vast zitten. Bessa: "Uit Dongils computersimulaties bleek dat dit apparaat zou kunnen werken bij kamertemperatuur, waarbij atomen veel trillen, maar er toch ongelooflijk weinig energie de omgeving in weglekt – een hogere kwaliteitsfactor dus. Met machine learning en optimalisatie slaagden we erin Richard's spinnenwebconcept aan te passen richting deze veel betere kwaliteitsfactor."

"Artist impression van een kunstmatig spinnenweb gesondeerd met laserlicht" Artist: Felix Vu [Image credit: Optics lab TU Delft]
De spinnenwebsensoren trillen in een vacuümkamer om contact met lucht te vermijden en worden met laserlicht gesondeerd via optische vezels. [Fotografie: Frank Auperlé]

Op basis van dit nieuwe ontwerp bouwde Andrea Cupertino, mede-eerste auteur, een microchipsensor met een ultradunne, nanometer-dikke film van keramisch materiaal genaamd Silicium Nitride. Zij testten het model door het 'web' van de microchip krachtig te laten trillen en de tijd te meten die nodig is om de trillingen te stoppen. Het resultaat was spectaculair: een recordbrekende geïsoleerde trilling bij kamertemperatuur. Norte: "We vonden bijna geen energieverlies buiten ons microchip-web: de trillingen bewegen in een cirkel aan de binnenkant en raken de buitenkant niet. Dit is een beetje alsof je iemand één zetje geeft op een schommel, en hem bijna een eeuw lang laat door schommelen zonder te stoppen."

Implicaties voor fundamentele en toegepaste wetenschappen

Met hun op een spinnenweb gebaseerde sensor laten de onderzoekers zien hoe deze interdisciplinaire strategie een weg opent naar nieuwe doorbraken in de wetenschap, waarbij ze bio-geïnspireerde ontwerpen, machine learning en nanotechnologie combineren. Dit nieuwe paradigma heeft interessante implicaties voor quantum-internet, detectie, microchiptechnologieën en fundamentele natuurkunde: het onderzoeken van ultrakleine krachten bijvoorbeeld, zoals zwaartekracht of donkere materie die notoir moeilijk te meten zijn. Volgens de onderzoekers zou de ontdekking niet mogelijk zijn geweest zonder de Cohesiebeurs van de universiteit, die leidde tot deze samenwerking tussen nanotechnologie en machine learning. 

Meer informatie

Shin, Cupertino, de Jong, Steeneken, Bessa & Norte, Spiderweb Nanomechanical Resonators via Bayesian Optimization: Inspired by Nature and Guided by Machine Learning (2021) Advanced Materials

Link naar artikel

Violet van Houwelingen,

Persvoorlichter TU Delft