ArtículosNúmero 15

Sensores fotónicos y optomecánicos para la nueva termometría cuántica y a escala nanométrica

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Alberto Casas(1), Mª José Martín(1), Dolores del Campo(1), Pablo Aitor Postigo(2),  Lukas Weistuschat(2),  Stéphan Briaudeau(3)
(1)Centro Español de Metrología, Tres Cantos, España
(2) Instituto de Micro y Nanotecnología, CSIC, Tres Cantos, España
(3) Conservatoire National des Arts et Métiers, Saint-Denis, Francia

Resumen

Hoy en día existe una necesidad creciente de realizar mediciones de temperatura a una escala cada vez más pequeña, pero los termómetros actuales no pueden cumplir ese reto. Sin embargo, la nanotecnología nos ofrece ahora la posibilidad de construir sensores capaces de medir la temperatura en la escala micrométrica.

Los sensores fotónicos se basan en la interacción entre la luz y la materia para medir la temperatura y otras magnitudes físicas mediante las propiedades que dependen de la temperatura de los materiales. Una nueva línea de investigación prometedora consiste en usar dispositivos nanofotónicos en combinación con sistemas nanomecánicos (sensores optomecánicos) para construir patrones primarios cuánticos. Los sensores de temperatura fotónicos y optomecánicos permiten una resolución espacial adaptada a las situaciones en las que los termómetros habituales no son adecuados para realizar mediciones.

El CEM participa en el proyecto Europeo PhotOQuanT (figura 1) en colaboración con el Instituto de Micro y Nanotecnología (CSIC). El proyecto está financiado por el Programa Metrológico Europeo para la Innovación e Investigación (EMPIR) y cuenta con la participación de los institutos nacionales de metrología de Francia (LNE-CNAM, coordinador del proyecto), Finlandia (MIKES), Alemania (PTB) y Holanda (VSL), junto con otras instituciones europeas de investigación y varias universidades. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de sensores fotónicos y optomecánicos para la medida de la temperatura en la escala micrométrica que podrán contribuir a la diseminación del nuevo kelvin.

Abstract

Today there is a growing need for temperature measurements on an increasingly small scale, but current thermometers cannot meet that challenge. However, nanotechnology now offers us the possibility of building sensors capable of measuring temperature at the micrometric scale.

Photonic sensors are based on the interaction between light and matter to measure temperature and other physical quantities through properties that depend on the temperature of the materials. A promising new line of research consists on using nanophotonic devices in combination with nanomechanical systems (optomechanical sensors) to build quantum primary standards. Photonic and optomechanical temperature sensors allow a spatial resolution adapted to situations in which the usual thermometers are not suitable for measurements.

CEM participates in the European PhotOQuanT project in collaboration with the Instituto de Micro y Nanotecnología (CSIC). The project is funded by the European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) and it also counts on the participation of the National Institutes of Metrology of France (LNE-CNAM, project coordinator), Finland (MIKES), Germany ( PTB) and the Netherlands (VSL), together with other European research institutions and universities. The objective of this project is the development of photonic and optomechanical sensors for measuring the temperature in the micrometric scale that may contribute to the dissemination of the new kelvin.

¿Por qué PhotOQuanT?

La demanda de metrología de alta precisión en procesos de fabricación  está creciendo impulsada por tecnologías tipo lab-on-a-chip, microelectrónica, optoelectrónica o micro- fluidos. Actualmente, los sensores integrados inteligentes están siendo ampliamente integrados en los procesos de producción, medición e inspección de productos fabricados, así como en las aplicaciones aeroespaciales y de transporte. Además hay una demanda creciente en campos como la biología o la genética de biosensores rápidos y ultrasensibles que está favoreciendo los recientes avances.

La temperatura es probablemente la variable de estado más importante, influenciando casi cualquier proceso físico, químico o biológico. Sorprendentemente, los sensores de temperatura más precisos, los termómetros de resistencia de platino patrón (en adelante TRPP), se basan en tecnologías anticuadas, que no permiten su miniaturización, portabilidad, ni una amplia diseminación. Además, los TRPP son sensibles a golpes, al estrés térmico y a variables ambientales como la humedad y la contaminación química que causan irreproducibilidad y deriva en las medidas. Estas limitaciones han promovido la búsqueda de mejores sensores de temperatura. Los sensores fotónicos de temperatura son baratos, ligeros, portátiles y resistentes a golpes y a interferencias electromagnéticas. Sin embargo, estos sensores requieren calibraciones específicas y sistemas de caracterización para proporcionar trazabilidad en los casos en los que los actuales estándares metrológicos macroscópicos no son aplicables.

Por otro lado, a pesar de su gran precisión, los termómetros primarios (por ejemplo termómetros acústicos de gas, termómetros dieléctricos de gas, termómetros de ruido Johnson, termómetros de ensanchamiento Doppler), capaces de proporcionar trazabilidad al nuevo kelvin, son complejos, costosos y frágiles, y por tanto poco adecuados para llevar a cabo una diseminación práctica de la unidad. Pero los dispositivos optomecánicos proporcionan también un método de detección primaria de temperatura fiable y más económico. Estos sensores usan la energía térmica de vibración del punto cero (estado fundamental de un sistema físico) como cuantización del ruido térmico. Mejoras recientes permiten evaluar la viabilidad de este método a temperatura ambiente utilizando dispositivos miniaturizados.

Figura 1. Logo del proyecto PhotOQuanT

Nuestro objetivo

Uno de los objetivos importantes de este proyecto es el desarrollo de un patrón cuántico de temperatura usando un resonador optomecánico. Hasta la fecha sólo el laboratorio nacional de metrología de Estados Unidos (NIST) ha conseguido fabricar y probar un dispositivo con estas características a temperatura ambiente, aunque con grandes incertidumbres de medida. Sin embargo, estos resultados son el primer intento de un solo grupo de investigación.

El principal reto de esta medida cuántica es la detección de una muy pequeña correlación cuántica entre los estados ópticos y mecánicos que queda enmascarado por el marcado movimiento browniano que aumenta con la temperatura. Debido a ello, el proyecto planea desarrollar primero la termometría cuántica en la zona criogénica antes de subir a temperatura ambiente. Los aspectos clave de este desarrollo no es tanto la resolución en temperatura como los efectos sistemáticos y el propio régimen cuántico.

Se están desarrollando dos tipos distintos de sensores de temperatura: fotónicos y optomecánicos. El objetivo de los sensores fotónicos es solucionar los problemas de derivas, baja resolución espacial, sensibilidad a golpes, influencia de campos electromagnéticos o ambientes extremos de los termómetros de resistencia de platino. Por su parte, el objetivo de los sensores optomecánicos es disponer de un patrón cuántico primario de temperatura. Los sensores fotónicos tendrán una ultra-alta resolución y estabilidad y, por su parte, los sensores optomecánicos funcionarán en un régimen cuántico para realizar mediciones cuánticas de temperatura.

Los altos factores de calidad necesarios para estos resonadores fotónicos y optomecánicos dependen de las propiedades fotoelásticas de los materiales utilizados y las pérdidas de los modos guiados de oscilación. Sin embargo, las bases de datos existentes sobre propiedades y pérdidas fotoelásticas (mecánicas y ópticas) provienen de estudios sobre materiales brutos, lo que no es suficiente para la optimización de los resonadores utilizados en este proyecto. Por tanto, para la construcción de estos sensores se están investigando las propiedades fotoelásticas, incluyendo el efecto de la geometría, de varios materiales determinados, basados en silicio y en diamante así como su influencia en el factor de calidad de los resonadores ópticos y mecánicos. Para ello se ha desarrollado un sistema para la medida de las constantes fotoelásticas en muestras macroscópicas que ya ha sido validado a temperatura ambiente con muestras de silicio, obteniendo resultados a temperatura ambiente y a longitudes de 1550 nm compatibles con la bibliografía.

Además, los sensores que se están desarrollando en este proyecto no solo serán más precisos, sino también más pequeños que los habituales, por lo que, y por primera vez, se está desarrollando procedimiento para la calibración a escala cuántica y a baja temperatura de los resonadores optomecánicos para vincularlos a patrones primarios, de forma que el ruido térmico sea empleado para extender el rango de temperatura hasta la ambiente sin necesidad de calibraciones adicionales.

Por otro lado la trazabilidad al kelvin de estos nuevos sensores debe áun ser desarrollada. Para poder realizar una evaluación adecuada y realista de las incertidumbres de medida debe llevarse a cabo un estudio profundo de los efectos sistemáticos. Para ello, se están desarrollando diferentes tipos de termostatos, adecuándolos a las características de los sensores. Las comprobaciones preliminares en estos termostatos para los sensores fotónicos parece que pueden garantizar estabilidades del orden del milikelvin a temperatura ambiente. El objetivo final es conseguir incertidumbres de calibración de 1 mK para los sensores fotónicos y por debajo de 1 K para los sensores optomecánicos en el régimen cuántico (por debajo de 10 K).

Organización del proyecto

Para una mejor gestión del proyecto, las actividades se han distribuido en cuatro paquetes de trabajo técnicos y dos de carácter más organizativo para abordar las cuestiones de impacto y gestión.

El primer paquete de trabajo técnico es el más esencial ya que se centra en el diseño y la fabricación de los resonadores. El requisito fundamental para conseguir la alta sensibilidad necesaria para las mediciones previstas es conseguir factores de calidad elevados. Los dos tipos de resonadores, fotónicos y optomecánicos, que se van a construir en el proyecto  necesitan factores de alta calidad óptica Qo>105 y Qo>108, respectivamente. Para ello se van a investigar distintas geometrías ópticas, desde microanillos hasta resonadores de cavidad de cristal fotónico. Además, en el caso de los resonadores optomecánicos, también es imprescindible que posean un factor de calidad mecánico elevado a la vez que los modos de resonancia ópticos y mecánicos, con sus respectivos factores de calidad, deben tener un fuerte acoplamiento, es decir, superposición entre los campos óptico y mecánico. Para conseguir una optimización del diseño se realizan simulaciones utilizando diversos programas de elementos finitos. Este fuerte acoplamiento permite una alta transducción entre fotones y fonones, en este sentido, se pretende alcanzar valores de estado del arte, en la frecuencia de resonancia de alrededor o por encima de unos pocos megahercios. Otra característica clave para los resonadores optomecánicos es el producto f·Q, el producto de la frecuencia de resonancia mecánica y el factor de calidad. Para poder realizar experimentos cuánticos a temperatura ambiente, el producto f·Q debe ser mayor de 1012 Hz. Para ello se utilizarán distintas estrategias, ya sea mediante el uso de una cavidad limitada por difracción con una frecuencia de resonancia mecánica en GHz o disminuyendo drásticamente las pérdidas mecánicas (pérdidas de anclaje y amortiguación termoelástica).

Para optimizar la funcionalidad de los resonadores, el segundo paquete de trabajo se encarga de investigar las propiedades de los materiales relevantes para poder seleccionar el mejor material de construcción. Para los dispositivos fotónicos, se busca maximizar los efectos fotoelásticos y minimizar las pérdidas mecánicas y la absorción de luz, mientras que en los optomecánicos se busca que al menos un modo mecánico esté acoplado a un modo óptico. La vibración mecánica produce tensión y deformación en el dispositivo, lo que cambia su índice de refracción. La magnitud de este cambio está relacionada con los coeficientes fotoelásticos del material relacionado. El control preciso del acoplamiento de los modos óptico y mecánico requiere el conocimiento de estos parámetros en materiales para los que hasta ahora no habían sido medidos. Como se comentó anteriormente, los sensores optomecánicos requieren un alto factor de calidad Q mecánico o, en otras palabras, bajas pérdidas mecánicas, que dependen por ejemplo de impurezas y de las propiedades de la superficie (por ejemplo, rugosidad, química de la superficie) así como de la geometría y de las pérdidas de anclaje / sujeción. La complejidad de los factores que influyen en las pérdidas mecánicas requiere la evaluación cuidadosa de diversos parámetros en estructuras de ensayo con propiedades lo más similares posible a los dispositivos finales. Por su parte, los dispositivos fotónicos construidos en este proyecto operan en función de la dependencia de la temperatura de sus propiedades ópticas, por lo que también se investigarán las propiedades fototérmicas relevantes de los materiales utilizados para su construcción.

Para poder ser empleados en la medida de la temperatura es necesario diseñar sistemas de lectura para los resonadores y definir los factores limitantes en su funcionamiento. Este es el cometido principal del tercer paquete de trabajo técnico. En el caso de los resonadores optomecánicos, se desarrollarán nuevas técnicas para escalar la sensibilidad del resonador mecánico, para la determinación de las correlaciones cuánticas y, posteriormente, para extender el rango de temperatura hasta la ambiente. Se están desarrollando sistemas de medida para investigar los esquemas de sensibilidad e interrogación de estos sensores, incluyendo posibles efectos sistemáticos en la medición. A pesar de que el principio de medida de los sensores fotónicos y los optomecánicos es esencialmente distinto (dependencia de la temperatura con índice de refracción para los primeros y nivel de ruido térmico para los segundos) comparten muchas similitudes en sus sistemas de medida por lo que las técnicas experimentales desarrolladas en ambos casos podrán beneficiarse mutuamente. En este paquete de trabajo también se van a investigar los factores de influencia limitantes en la medida como ambiente, ruido del láser, eficiencia de la fotodetección y  función de interpolación en los sensores fotónicos principalmente.

Figura 2. Detalle del montaje inicial realizado en el IMN-CSIC en colaboración con el CEM para la medida de sensores fotónicos

El paso final del proyecto es la validación metrológica como termómetros de los sensores desarrollados. (figura 2) Esta actividad es responsabilidad del cuarto paquete de trabajo en el que se van a desarrollar sistemas de calibración que permitan proporcionarles trazabilidad a la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90). Para ello se han fabricado termostatos que proporcionan el entorno adecuado para la comparación de estos sensores con los clásicos termómetros de resistencia de platino patrones. Estos sistemas permitirán también investigar cualquier efecto sistemático que influencie las medidas de temperatura. Con toda esta información se desarrollarán procedimientos de calibración para los sensores fotónicos con sus análisis de incertidumbres asociados y en el caso de los optomecánicos se podrá estudiar su comportamiento como sensor primario de temperatura con relación a la temperatura definida por la EIT-90.

Impacto previsto

El desarrollo y la validación metrológica de los sensores de temperatura optomecánicos solucionan el problema de la deriva de los sensores integrados. Estos sensores aumentarán la fiabilidad de las medidas de temperatura para aplicaciones industriales con la ventaja de una alta resolución y robustez para su uso en ambientes hostiles.

Las futuras aplicaciones on-chip de comunicación óptica se enfrentan a problemas importantes con el control de temperatura por lo que requieren mediciones muy localizadas. Estas mediciones son importantes debido al constante aumento de la potencia de los microprocesadores. Estos sensores fotónicos validados metrológicamente se podrán colocar directamente sobre los chips para obtener una distribución de energía y un control de temperaturas más precisas, aumentando así la eficiencia y evitando fugas térmicas.

Pero la medición de la temperatura y los problemas de control se extienden mucho más allá de la industria de semiconductores. Otro producto de rápido crecimiento es el transistor de potencia, usado de manera más extendida para convertir la energía eléctrica, en aplicaciones que van desde cargadores de teléfonos móviles y paneles solares hasta automóviles eléctricos. La generación de calor en estos transistores causa tensiones termomecánicas que pueden conducir a cortocircuitos peligrosos que pueden provocar incendios o explosiones en aplicaciones con baterías. Sensores de temperatura precisos, miniaturizados y distribuidos pueden prevenir estos problemas y sus peligros asociados.

Pero el posible impacto de estos sensores va más allá del nivel industrial, la nueva definición del kelvin lleva a la búsqueda de nuevos termómetros primarios que puedan permitir su diseminación de forma simple. Este proyecto de investigación colaborativa es el primer intento europeo para desarrollar un patrón cuántico para la metrología de temperatura: los sensores optomecánicos que serían patrones primarios de temperatura de fácil acceso para los usuarios finales.

Para información más detallada se puede visitar la página web del proyecto:

PhotOQuanT – VTT

Agradecimientos

Este proyecto ha recibido financiación del programa EMPIR cofinanciado por los Estados participantes y por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea .

This project has received funding from the EMPIR programme co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme”

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Dr. Martin Milton. Director del BIPM

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