इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकैनिकल सिस्टम हाइब्रिड उपकरणों की एक परिवर्तनीय वर्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं जो पारंपरिक एकल मोड सेंसर से परे संवेदन क्षमताओं को प्राप्त करने के लिए विद्युत, ऑप्टिकल और यांत्रिक डोमेन के बीच अंतर-खेल का उपयोग करते हैं। यांत्रिक अनुनादकों के साथ ऑप्टिकल गुहाओं को युग्मन करके और विद्युत पारगमन को एकीकृत करके, ये सिस्टम क्वांटम सीमा के निकट या निकट बलों, विस्थापन, द्रव्यमान और क्षेत्रों का पता लगाने में सक्षम होते हैं। पिछले दशक में, नैनोफैब्रिकेशन, सामग्री विज्ञान और क्वांटम नियंत्रण में तेजी से प्रगति ने प्रयोगशाला के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक्स को जैविक निदान, पर्यावरण निगरानी और बुनियादी भौतिकी में वास्तविक दुनिया प्रभाव के साथ प्लेटफार्मों पर।

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक युग्मन के सिद्धांत

एक इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक प्रणाली के दिल में एक यांत्रिक अनुनादक है -आमतौर पर एक कैंटिलीवर, झिल्ली, या माइक्रोडिस्क - जो बाहरी उत्तेजना जैसे बल, त्वरण, या बड़े पैमाने पर लोड करने के जवाब में वाइब्रेट करता है। यांत्रिक गति एक साथ एक ऑप्टिकल गुहा (जैसे, एक फैब्री-पेट्रोट या व्हिस्परिंग-गैलरी मोड रेज़ोनेटर) और एक विद्युत सर्किट (अक्सर एक कैपेसिटिव या पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर) दोनों को जोड़ती है। ऑप्टिकल क्षेत्र एक उच्च बैंडविड्थ, कम-शोर पठनीय माप प्रणाली को नियंत्रित करने के लिए यांत्रिक विस्थापन के माध्यम से प्रदान करता है, जहां विद्युतीय माप क्षमता को सक्षम करता है।

प्रमुख मीट्रिक जो प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं, में यांत्रिक गुणवत्ता कारक (]Q] m), ऑप्टोमेकैनिकल युग्मन दर (g] OM), और विद्युत पठन शोर मंजिल शामिल हैं। आधुनिक डिजाइन Q] m मूल्य क्रायोजेनिक वातावरण में 107 से अधिक है और ऑप्टोमेकेनिकल सहपाठ्यता (]C] = 4 g [FLT:]]g [FLT:]]]]

कोर घटक और वास्तुकला

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमैकेनिकल सिस्टम सावधानीपूर्वक इंजीनियर घटकों के सूट से बनाया गया है। नीचे हम प्राथमिक इमारत ब्लॉकों और उनकी भूमिकाओं का वर्णन करते हैं।

मैकेनिकल रेज़ोनेटर

मैकेनिकल रेज़ोनेटर माइक्रोन-स्केल कैंटिलीवर और डबल-क्लैम्पेड बीम से नैनोस्केल स्ट्रिंग्स और ड्रमहेड्स तक होते हैं। सामग्री विकल्पों में एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन, सिलिकॉन नाइट्राइड (SiN), हीरे और III-V अर्धचालक शामिल हैं। उच्च तनाव SiN झिल्ली विशेष रूप से उनके असाधारण यांत्रिक गुणवत्ता कारकों के कारण लोकप्रिय हैं, जो कमरे के तापमान पर 107 से अधिक हो सकते हैं। संवेदन अनुप्रयोगों के लिए, रेज़ोनेटर को लक्ष्य उत्तेजना के लिए प्रतिक्रिया को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए - उदाहरण के लिए, एक उच्च-विषयक-अनुक्रम SiN झिल्ली विशेष रूप से लोकप्रिय हैं, जो दबाव संवेदन के लिए एक पतली झिल्ली या एक पतली झिल्ली के कारण हो सकती है।

ऑप्टिकल गुहा

ऑप्टिकल गुहा प्रकाश और यांत्रिक तत्व के बीच बातचीत को बढ़ाता है। आम वास्तुकला में शामिल हैं:

  • ]Fabry-Pérot cavities एक दर्पण और एक यांत्रिक झिल्ली (membrane-in-the-मध्य ज्यामिति) के बीच गठित।
  • ]Whispering-gallery mode (WGM) microresonator] (माइक्रोटॉरोइड्स, माइक्रोस्फीयर्स, या माइक्रोडिस्क) जहां प्रकाश परिधि और परिवेश के साथ एक पास के यांत्रिक तत्व के साथ फैलता है।
  • ]Photonic क्रिस्टल cavities that confine light to sub-wavelength Volumes, to be able to be able to be able to strong, opomechanical युग्मन.

ऑप्टिकल जुर्माना (]F) सीधे संवेदनशीलता को प्रभावित करता है; राज्य के अत्याधुनिक cavities 105 से अधिक जुर्माना प्राप्त करते हैं, 10-18 मीटर / epHz से नीचे विस्थापन संवेदनशीलता का अनुवाद करते हैं।

विद्युत इंटरफेस

विद्युत घटक एक्ट्यूएशन और रीडआउट प्रदान करते हैं। कैपेसिटिव ट्रांसड्यूसर (विभिन्न इलेक्ट्रोड, समानांतर प्लेट) कम शोर विस्थापन पता लगाने के लिए आम हैं। पाइजिलिक परतें (जैसे, AlN, PZT) को रेज़ोनेटर में एकीकृत किया गया है, जो कुशल कार्य और तनाव संवेदन की अनुमति देता है। सुपरकंडक्टिव माइक्रोवेव सर्किट भी पैरामीट्रिक ड्राइव के माध्यम से क्वांटम-सीमित प्रवर्धन हासिल करने के लिए कार्यरत हैं। विद्युत इंटरफ़ेस को बैंडविड्थ बढ़ाने या शोर को दबाने के लिए ओपन-लूप या बंद-लूप (फीडबैक) विन्यास में संचालित किया जा सकता है।

हाल ही में क्रासथ्रू में सेंसिंग प्रदर्शन

पिछले कुछ वर्षों में उल्लेखनीय मील के पत्थरों का गवाह है। शोधकर्ताओं ने 10-20 N/PROHz से बेहतर बल संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया है, जो क्रायोजेनिक तापमान पर SiN नैनोबीम्स का उपयोग करते हुए, बैक-एक्शन इवैशन तकनीक के माध्यम से मानक क्वांटम सीमा को पार करते हैं। मास सेंसिंग zeptogram (10-21 g) शासन तक पहुंच गया है, जिससे एकल प्रोटीन या नैनोपार्टिकल्स का पता लगाया जा सकता है। कमरे के तापमान पर 1.5 × 10-18 मीटर / 5.6 हर्ट्ज की विस्थापन संवेदनशीलता को सिलिकॉन फोटोनिक-क्रिस्टल गुहाओं का उपयोग करके रिपोर्ट की गई है, जबकि एकीकृत इलेक्ट्रो-ऑप्टोमैकेनिकल गैरोस्कोप अब मैक्रोस्कोपिक फाइबर-ऑप्टिक rosgy के बराबर स्थिरता प्राप्त करते हैं।

विशेष रूप से रोमांचक विकास ]] का उपयोग है, जिसे धीमे प्रकाश और ट्यूनेबल देरी लाइनों का एहसास करने के लिए, जिसे उन्नत इंटरफेरोमेट्रिक सेंसिंग के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, तथाकथित "इलेक्ट्रो-ऑप्टोमैकेनिकल ट्रांसडक्शन" - कहा जाता है, ऑप्टिकल और विद्युतीय पठन का संयोजन जहां विद्युत चैनल पर भरोसा करके ऑप्टिकल पथ अवरुद्ध हो जाते हैं (जैसे, अपारदर्शी मीडिया के भीतर) वातावरण में ऑपरेशन सक्षम हो जाता है।

अनुप्रयोग

जैविक और चिकित्सा संवेदन

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक सेंसर जैव-अवधारणा के लिए असाधारण संवेदनशीलता प्रदान करते हैं। यांत्रिक अनुनादकारों को एंटीबॉडी या एप्टामर के साथ कार्यात्मक किया जाता है, जो वास्तविक समय में जैव-मार्करों की एकल प्रतियों का पता लगा सकता है, जिसमें प्रारंभिक चरण के कैंसर निदान या वायरल लोड मॉनिटरिंग की संभावना है। ऑप्टोमेकेनिक प्लेटफॉर्म का उपयोग आणविक मोटर्स (जैसे किसिनिन, मायोसिन) द्वारा उत्पन्न बलों को मापने के लिए किया गया है और सेल आसंजन गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए किया गया है। कम बिजली की आवश्यकता और एकीकृत फोटोनिक-यांत्रिक चिप्स के छोटे पदचिह्न उन्हें बिंदु-की देखभाल उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाते हैं। [FLT: 0] एथ Zürich[FLT-A] पर शोधकर्ताओं ने एक्टोमेसेलेक्टर है।

पर्यावरण निगरानी

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक सिस्टम तापमान, दबाव, आर्द्रता और रासायनिक संरचना में मिनट के बदलाव का पता लगा सकता है। झिल्ली आधारित ऑप्टोमेकेनिक दबाव सेंसर ने उप-Pa रिज़ॉल्यूशन हासिल किया है, जो वायुमंडलीय विज्ञान और वैक्यूम निदान के लिए उपयोगी है। ऑप्टोमेकेनिक डिटेक्टरों का उपयोग करके इन्फ्रारेड अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी - जहां यांत्रिक तत्व एक संवेदनशील कैलोरीमीटर के रूप में कार्य करता है - भागों पर प्रति ट्रिलियन स्तरों पर ट्रेस गैसों की पहचान करने में सक्षम करता है। इन सेंसरों को जलवायु निगरानी नेटवर्क और औद्योगिक उत्सर्जन नियंत्रण के लिए विकसित किया जा रहा है। राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान ने प्रति वर्ष 0.1 पैफ्ट प्रति वर्ष के साथ एक चिप-स्केल ऑप्टोमेकेनिक बैरोमीटर की सूचना दी है।

मौलिक भौतिकी अनुसंधान

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक सिस्टम क्वांटम यांत्रिकी और गुरुत्वाकर्षण के परीक्षण के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं। उनका उपयोग यांत्रिक दोलनों में मैक्रोस्कोपिक श्रोडिंजर-कैट स्टेट्स बनाने के लिए किया गया है, अंधेरे पदार्थ (एक्सियन्स, छिपे हुए फोटोन) की खोज और लहर समारोह के पतन का परीक्षण करने के लिए किया गया है। ऑप्टोमेकेनिक इंटरफेस भी माइक्रोवेव और ऑप्टिकल फोटोन के बीच क्वांटम ट्रांसडक्शन को सक्षम करते हैं, भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक प्रमुख घटक। Kavli इंस्टीट्यूट ऑफ नैनोसाइंस ने कमरे के तापमान पर दो यांत्रिक अनुनाद करने के लिए एक इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक उपकरण का इस्तेमाल किया है।

चुनौतियां और भविष्य की दिशा

तेजी से प्रगति के बावजूद, कई चुनौतियों का सामना करना पड़ा। थर्मल शोर कमरे के तापमान पर सीमित कारक है, जिसके लिए उन्नत प्रतिक्रिया शीतलन या क्रायोजेनिक वातावरण में संचालन की आवश्यकता होती है। ऑप्टिकल गुहाओं और यांत्रिक अनुनादकों के लिए निर्माण सहिष्णुता को उच्च उपज और पुनर्संशोधन प्राप्त करने के लिए कसना चाहिए। एक चिप पर ऑप्टिकल और विद्युत घटकों का एकीकरण - प्रदर्शन का त्याग किए बिना - अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है, जिसमें सिलिकॉन-ऑन-इंस्युलेटर (एसओआई) और लिथियम निओबेट शो वादा जैसे प्लेटफॉर्म शामिल हैं।

भविष्य की दिशा में ]] के विकास में शामिल हैं इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक सेंसर वितरित संवेदन नेटवर्क के लिए, स्वयं-कैलिब्रेटिंग उपकरण पर चिप संदर्भ मानकों का उपयोग करते हुए, और hybrid system] that combine the optomechanics with spin-based Sensors (NV केंद्र हीरे में)] चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाने के लिए. Scalable विनिर्माण और कम लागत पैकेजिंग वाणिज्यिक गोद लेने के लिए आवश्यक होगा। इसके अलावा, नई सामग्री का अन्वेषण - जैसे कि 2D सामग्री (ग्राफीन, मोक्युलर)

निष्कर्ष

इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक सिस्टम कई डोमेनों में एन्हांसिंग के लिए एक बहुमुखी और शक्तिशाली मंच के रूप में उभरे हैं। प्रकाशिक, यांत्रिक और स्वतंत्रता की विद्युत डिग्री को आसानी से विलय करके, वे उन संवेदनशीलताओं को प्राप्त करते हैं जो माप विज्ञान की सीमाओं को चुनौती देते हैं। सामग्री, निर्माण और क्वांटम नियंत्रण में जारी नवाचार की संभावना प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों तक पहुंच जाएगी, जो अल्ट्रा-प्रिसेस बायोमोलेकुलर अस्से से लेकर क्वांटम-सीमित जड़ नेविगेशन तक सब कुछ सक्षम करेगा। जैसा कि क्षेत्र परिपक्व होता है, इलेक्ट्रो-ऑप्टोमेकेनिक्स ने अगली पीढ़ी संवेदन प्रौद्योगिकी का एक आधारशिला बनने का वादा किया।