La toile d’araignée comme source d’inspiration pour le développement de l’un des capteurs à puce électronique les plus précis au monde


TU Delft fabrique l'un des capteurs à puce électronique les plus précis au monde - grâce à une toile d'araignée

Vue d’artiste d’une toile d’araignée artificielle qui a été examinée à la lumière laser. Crédits photos : Laboratoire d’optique TU Delft

Une équipe de recherche de la TU Delft a réussi à développer l’un des à puce électronique les plus précis au monde. L’appareil peut fonctionner à ambiante – un « Saint Graal » pour les technologies et les capteurs quantiques. En combinant nanotechnologie et machine learning, inspirés des toiles d’araignées de la nature, ils ont pu faire vibrer un capteur nanomécanique, extrêmement isolé des bruits quotidiens. Cette percée, publiée dans le Matériaux avancés Rising Stars Issue, a des implications pour l’étude de la gravité et de la matière noire ainsi que pour les domaines de l’internet quantique, de la navigation et de la technologie des capteurs.

L’un des plus grands défis de l’étude des objets vibrants à la plus petite échelle, tels que ceux utilisés dans les capteurs ou le matériel quantique, est d’empêcher le bruit thermique ambiant d’interagir avec leurs états fragiles. Le matériel quantique, par exemple, est généralement maintenu à des températures proches du zéro absolu (-273,15 °C), et les réfrigérateurs coûtent un demi-million d’euros chacun. Des chercheurs de la TU Delft ont développé un capteur à micropuce en forme de filet qui vibre à température ambiante et est très bien isolé du bruit. Leur découverte rendra, entre autres, la construction d’appareils quantiques beaucoup plus abordable.

Le guide de l’évolution de l’auto-stoppeur

Richard Norte et Miguel Bessa, qui ont dirigé la recherche, ont cherché de nouvelles façons de combiner la nanotechnologie et l’apprentissage automatique. Mais comment vous est venue l’idée d’utiliser des toiles d’araignées modèle ? Richard Norte : « Je fais ce métier depuis une décennie quand j’ai remarqué beaucoup de toiles d’araignées sur ma terrasse pendant le confinement. J’ai trouvé que les toiles d’araignées étaient de très bons détecteurs de vibrations car elles veulent mesurer les vibrations dans la toile pour trouver leur proie, mais pas à l’extérieur, comme le vent à travers un arbre. Alors pourquoi ne pas faire de l’auto-stop sur des millions d’années d’évolution et utiliser une toile d’araignée comme premier modèle d’appareil ultra-sensible ? »

Ne connaissant rien de la complexité des toiles d’araignées, l’équipe a laissé l’apprentissage automatique guider le processus de découverte. Miguel Bessa : « Nous savions que les expériences et les simulations étaient coûteuses et prenaient beaucoup de temps. Mon groupe et nous avons donc décidé d’utiliser un algorithme appelé optimisation bayésienne pour trouver une bonne conception en quelques essais seulement. » Dongil Shin, co-premier auteur de ce travail, a ensuite implémenté le modèle informatique et appliqué l’algorithme d’apprentissage automatique pour proposer la nouvelle conception de l’appareil.

TU Delft fabrique l'un des capteurs à puce électronique les plus précis au monde - grâce à une toile d'araignée

Inspirés par les toiles d’araignées de la nature et guidés par l’apprentissage automatique, Richard Norte (à gauche) et Miguel Bessa (à droite) font la démonstration d’un nouveau type de capteur en laboratoire. Crédit photo : Frank Auperlé

Capteur à puce électronique basé sur des toiles d’araignée

À la surprise des chercheurs, l’algorithme a proposé une toile d’araignée relativement simple à partir de 150 conceptions différentes de toile d’araignée, composée de seulement six chaînes qui ont été assemblées d’une manière trompeusement simple. Bessa : « Les simulations informatiques de Dongil ont montré que cet appareil peut fonctionner à température ambiante, à laquelle les atomes vibrent fortement, tout en laissant incroyablement peu d’énergie s’échapper de l’environnement – un facteur de qualité supérieur. Grâce à l’apprentissage automatique et à l’optimisation, nous avons réussi à adapter le concept de toile d’araignée de Richard à ce facteur de qualité bien meilleur. »

Sur la de cette nouvelle conception, le co-premier auteur Andrea Cupertino a construit un capteur à micropuce avec un film ultra-mince d’un nanomètre d’épaisseur de matériau céramique appelé nitrure de silicium. L’équipe a testé le modèle en faisant vibrer vigoureusement la « toile » de la micropuce et en mesurant le temps qu’il a fallu pour que les vibrations s’arrêtent. Le résultat a été spectaculaire : une oscillation isolée record à température ambiante. Norte : « En dehors de notre réseau de micropuces, nous n’avons trouvé quasiment aucune perte d’énergie : les vibrations se déplacent à l’intérieur en cercle et ne touchent pas l’extérieur pendant près d’un siècle sans interruption.

Implications pour les sciences fondamentales et appliquées

Avec leur capteur basé sur une toile d’araignée, les chercheurs montrent comment cette stratégie interdisciplinaire ouvre la voie à de nouvelles percées scientifiques en combinant des conceptions bio-inspirées, l’apprentissage automatique et la nanotechnologie. Ce nouveau paradigme a des implications intéressantes pour l’Internet quantique, la détection, les technologies des micropuces et la physique de base – par exemple, l’exploration de forces ultra-petites comme la gravité ou la matière noire, qui sont connues pour être difficiles à mesurer. Selon les chercheurs, la découverte n’aurait pas été possible sans la subvention de cohésion de l’université qui a conduit à cette collaboration entre nanotechnologie et apprentissage automatique.


Mieux comprendre les effets quantiques à des températures finies grâce à l’apprentissage automatique


Plus d’information:
Dongil Shin et al., Résonateurs nanomécaniques en toile d’araignée via l’optimisation bayésienne : inspirés par la nature et guidés par l’apprentissage automatique, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002 / adma.202106248

Fourni par l’Université technique de Delft

Citation: La toile d’araignée comme source d’inspiration pour le de l’un des capteurs à puce électronique les plus précis au monde (2021, 26 novembre), consulté le 26 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-spiderweb-world- capteurs à puce précise. html

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