Acelerómetro tan bueno que sólo la mecánica cuántica lo limita

Damos por sentado el hecho de que se pueda cambiar de golpe el  texto de un teléfono de vertical a horizontal depende de acelerómetros. Como todo el mundo sabe, sin embargo, lestas cosas a menudo se equivocan, dejándolo mirando a una pantalla  que se niega a reorientarse hasta que le das una buena sacudida. Una de las razones de la pantalla a negarse a orientarse correctamente es que los acelerómetros tienen que equilibrar la sensibilidad a pequeños cambios de la velocidad de respuesta -un acelerómetro lento es un acelerómetro sensible.

Este compromiso, sin embargo, es también debido a las limitaciones de fabricación. Un reciente artículo en Nature Photonics muestra que la fabricación inteligente puede resultar en un acelerómetro que es a la vez rápido y sensible.

Un acelerómetro funciona mediante la detección del movimiento de una masa de prueba suspendida. Si la masa suspendida  no significa mucho para ti, piensa en un dispositivo que contiene un poco de hardware que consiste en un resorte conectado con un peso al final del mismo. Cada vez que el dispositivo se mueve, una aceleración se establece  en la masa en movimiento: la dirección y el vigor de la aceleración se reflejan en la dirección y la amplitud de las oscilaciones del muelle.

Hay tres factores que entran en juego en la determinación del rendimiento de un acelerómetro. El tamaño de la masa de prueba, a más masiva, menores oscilaciones dan lugar a una aceleración dada. Para obtener la máxima sensibilidad, ha de ser lo más ligero posible.

El segundo factor se llama la Q del oscilador. Q es, en pocas palabras, una medida de cuánto tiempo tarda la masa de prueba para volver a descansar después de haberle sido dada una sacudida. Un oscilador con Q elevada oscilará  más que un oscilador de baja Q, lo que hace las cosas más fáciles de detectar.

El último factor es la frecuencia de resonancia de la oscilación, que es donde el acelerómetro es más sensible, si tuviéramos que agitar el acelerómetro en apenas esa frecuencia, nos encontraríamos con un oscilación gigante. Esto, sin embargo, no es muy útil, porque queremos detectar una gran cantidad de  frecuencias diferentes. La manera de hacer esto es establecer la frecuencia de resonancia por encima de la aceleración máxima que se desea medir. La respuesta de la masa de ensayo a las aceleraciones por debajo de esa frecuencia es bastante uniforme a través del dispositivo. Por desgracia, la respuesta es también sustancialmente menos sensible. En cualquier caso, la frecuencia de resonancia define la gama de componentes de frecuencia en una aceleración que se puede medir, la cual determina la velocidad de respuesta del acelerómetro.

Así, el acelerómetro perfecto tiene una masa de prueba muy pequeña que no tiene una respuesta resonante fuerte, y la respuesta debe ser a altas frecuencias de manera que también es rápida. Por supuesto, un acelerómetro que recoja cada vibración, incluidas las causadas por el ruido térmico dentro de la caja del dispositivo; generalmente no es una característica deseable.

Obviamente, un gran compromiso más algún pensamiento innovador se requiere para romper estos hechos debidos a los tres factores. Esto es exactamente lo que un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de California y la Universidad de Rochester han hecho. Reconocieron que si tomas una masa muy pequeña y que sea parte de un resonador con Q muy alto, la masa será muy sensible a la excitación debido a la temperatura. Pero si se pudiera medir la amplitud de las oscilaciones, se puede medir aceleraciones muy pequeñas. La clave, entonces, es en la forma de medir.

Los investigadores crearon su masa al atacar químicamente alrededor de una membrana de nitruro de silicio, dejando un bloque con una masa de sólo 10 pg (10 ^-12 g) suspendida por el mismo material. En esta elección de materiales se entiende que la frecuencia de resonancia está justo por debajo de 30 kHz, lo que permite a un investigador  detectar aceleraciones potencialmente a una velocidad de unos 15 kHz (que es rápido). Así pues, tenemos un acelerómetro, ahora para hacerlo extremadamente sensible sólo tenemos que darle un alto Q.

Como resultado, el material elástico (nitruro de silicio) es un material ideal para la fabricación de pequeños componentes ópticos. Los investigadores fabricaron una pequeña “cremallera” situada junto a la masa. Ésta actúa como un par de espejos que reflejan la luz hacia adelante y hacia atrás, lo que significa que los investigadores colocan un resonador óptico  al lado de su resonador mecánico. Como la masa de prueba se mueve hacia atrás y adelante, cambia la longitud del resonador óptico muy ligeramente, y cambia la frecuencia a la que la  luz podría resonar.

El resultado es que si brillara una luz láser en el resonador óptico, entonces como la masa pasa hacia atrás y adelante cerca del resonador, hace que la amplitud de la luz que sale del otro lado del resonador cambie. Cuanto mayor es Q de la óptica del resonador, más sensible se vuelve. Así que, aunque  la masa de prueba sólo está haciendo pequeños movimientos, el dispositivo sensor los recoge con facilidad.

Los investigadores muestran que su acelerómetro es muy cercano al límite absoluto de lo que está permitido por la mecánica cuántica.

Debo señalar que es poco probable que aparezca en los teléfonos pronto. El problema radica en el sistema de detección: el láser era un dispositivo relativamente caro, y si quieres que el acelerómetro cueste unos pocos centavos, esto no es posible. Puedo ver que esto se utilizará en los laboratorios de investigación para el seguimiento de ruido de vibración, y en las suites de captura de movimiento, donde los acelerómetros son combinados con algoritmos inteligentes para calcular el movimiento absoluto de medidas de aceleración.

Nature Photonics, 2012, DOI: 10.1038/nphoton.2012.245