ENG: Researchers at the Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, in collaboration with the University of Konstanz and ETH Zurich, have developed an ultra-thin silicon nitride membrane, just 10 mm wide and perforated with triangular holes, that allows sound vibrations to travel almost without signal loss. These vibrations, known as phonons, are quantized sound signals that move through solid materials as atoms push against one another. Unlike typical sound transmission, where energy is lost as heat or through distortion, the vibrations in this membrane maintain their strength exceptionally well, surpassing even the performance of advanced electronic circuits.
The researchers measure loss as the reduction in amplitude of the sound wave as it travels, even when forced to change direction around the membrane’s holes. In this system, the loss is incredibly low, only about one phonon out of a million, compared to similar electronic circuits where amplitude diminishes about 100,000 times faster. The membrane’s reliability as an information channel makes it a promising platform for highly sensitive quantum applications where even minimal noise or degradation can render data unusable. This level of stability could be vital in systems where error-free transmission is essential, such as quantum computing or advanced sensing technologies.
While the study is grounded in basic research, it has broad potential implications. The team, led by Assistant Professor Xiang Xi and Professor Albert Schliesser, envisions its use in fields like quantum computing, where ultra-precise signal transfer between components is critical, or in quantum sensors capable of detecting minuscule biological changes. Their immediate focus is on pushing the boundaries of what this technique can achieve, experimenting with more complex membrane structures, guiding phonons through intricate pathways, and even engineering collisions between them to deepen understanding of their behavior.
RO: Cercetătorii de la Institutul Niels Bohr, Universitatea din Copenhaga, în colaborare cu Universitatea din Konstanz și ETH Zurich, au dezvoltat o membrană ultra-subțire din nitrură de siliciu, cu o lățime de doar 10 mm și perforată cu găuri triunghiulare, care permite vibrațiilor sonore să se propage aproape fără pierderi de semnal. Aceste vibrații, cunoscute sub numele de fononi, sunt semnale sonore cuantificate care se propagă prin materiale solide pe măsură ce atomii se împing unul împotriva celuilalt. Spre deosebire de transmisia tipică a sunetului, în care energia se pierde sub formă de căldură sau prin distorsiune, vibrațiile din această membrană își mențin intensitatea excepțional de bine, depășind chiar și performanța circuitelor electronice avansate.
Cercetătorii măsoară pierderea ca reducere a amplitudinii undei sonore pe măsură ce aceasta se propagă, chiar și atunci când este forțată să-și schimbe direcția în jurul orificiilor membranei. În acest sistem, pierderea este incredibil de mică, doar aproximativ un fonon din milion, în comparație cu circuitele electronice similare, unde amplitudinea scade de aproximativ 100.000 de ori mai repede. Fiabilitatea membranei ca canal de informații o face o platformă promițătoare pentru aplicații cuantice extrem de sensibile, în care chiar și un zgomot sau o degradare minimă pot face datele inutilizabile. Acest nivel de stabilitate ar putea fi vital în sistemele în care transmisia fără erori este esențială, cum ar fi calculul cuantic sau tehnologiile avansate de detectare.
Deși studiul se bazează pe cercetarea fundamentală, acesta are implicații potențiale ample. Echipa, condusă de profesorul asistent Xiang Xi și profesorul Albert Schliesser, prevede utilizarea sa în domenii precum calculul cuantic, unde transferul ultraprecis al semnalelor între componente este esențial, sau în senzori cuantici capabili să detecteze schimbări biologice minuscule. Obiectivul lor imediat este de a extinde limitele a ceea ce poate realiza această tehnică, experimentând cu structuri membranare mai complexe, ghidând fononii prin căi complexe și chiar provocând coliziuni între ei pentru a aprofunda înțelegerea comportamentului lor.
Source (University of Copenhagen, “Sound Signals in Computer Chips – Almost Without Signal Loss”, 02.07.2025)
Paper: Xi, X., Chernobrovkin, I., Košata, J., Kristensen, M.B., Langman, E., Sørensen, A.S., Zilberberg, O. and Schliesser, A., 2025. A soft-clamped topological waveguide for phonons. Nature, pp.1-7.
