Thermal expansion in nanoresonators

Abstract

Inspirados por experimentos y trabajos numéricos recientes relacionados con nanorresonadores, realizamos simulaciones de dinámica molecular clásica para investigar la expansión térmica y la capacidad del dispositivo para actuar como sensor de deformación asistido por vibraciones inducidas térmicamente. El modelo propuesto consiste en una cadena de átomos que interactúan anarmónicamente con ambos extremos fijados a depósitos térmicos. Analizamos la expansión térmica y los desplazamientos de la frecuencia de resonancia en función de la temperatura y la deformación aplicada. Para los modos transversales, el desplazamiento es aproximadamente lineal con la deformación. También presentamos resultados analíticos de cálculos canónicos en la aproximación armónica, que muestran que la expansión térmica es uniforme a lo largo del dispositivo. Esta predicción también funciona cuando el sistema opera en un régimen de oscilación no lineal a temperaturas moderadas y altas.

Inspired by some recent experiments and numerical works related to nanoresonators, we perform classical molecular dynamics simulations to investigate the thermal expansion and the ability of the device to act as a strain sensor assisted by thermally-induced vibrations. The proposed model consists in a chain of atoms interacting anharmonically with both ends clamped to thermal reservoirs. We analyze the thermal expansion and resonant frequency shifts as a function of temperature and the applied strain. For the transversal modes the shift is approximately linear with strain. We also present analytical results from canonical calculations in the harmonic approximation showing that thermal expansion is uniform along the device. This prediction also works when the system operates in a nonlinear oscillation regime at moderate and high temperatures.

Inspirados por alguns experimentos recentes e trabalhos numéricos relacionados a nanorressonadores, realizamos simulações clássicas de dinâmica molecular para investigar a expansão térmica e a capacidade do dispositivo de atuar como um sensor de deformação assistido por vibrações induzidas termicamente. O modelo proposto consiste em uma cadeia de átomos interagindo anarmoniosamente com ambas as extremidades fixadas a reservatórios térmicos. Analisamos a expansão térmica e os deslocamentos de frequência ressonante em função da temperatura e da deformação aplicada. Para os modos transversais, o deslocamento é aproximadamente linear com a deformação. Também apresentamos resultados analíticos de cálculos canônicos na aproximação harmônica, mostrando que a expansão térmica é uniforme ao longo do dispositivo. Essa previsão também funciona quando o sistema opera em um regime de oscilação não linear em temperaturas moderadas e altas.