Een micromechanisch apparaat genereert een reeks nauwkeurige, gelijk verdeelde trillingsfrequenties, analoog aan het licht van de "optische frequentiekam, " wat de precisiemetingen drastisch heeft verbeterd en zou kunnen leiden tot verbeteringen in het detecteren van veranderingen op zeer lange tijdschalen, zoals het meten van langzame veranderingen in het zwaartekrachtveld van de aarde.

De Nobelprijswinnende uitvinding van de optische frequentiekam - licht waarvan het spectrum een ​​reeks scherpe, gelijk verdeelde pieken - heeft een revolutie teweeggebracht in het ontwerp van atoomklokken en andere uiterst nauwkeurige apparaten. Onderzoekers hebben nu een fononische frequentiekam gemaakt, waarin het spectrum van trillingen van een kristal hetzelfde patroon volgt als de optische kam. De ontdekking bevestigt een recente theoretische voorspelling en kan nuttig zijn voor precisiemetingen die een stabiele, laagfrequente standaard, zoals die met langzame veranderingen.

Optische frequentiekammen hebben de nauwkeurige tijdmeting drastisch vereenvoudigd en verbeterd, onder andere velden. Een manier om een ​​optische frequentiekam te genereren is door middel van een 'niet-lineair' medium waarin fotonen met elkaar interageren om nieuwe fotonen te genereren met frequenties die verschillen van die van de initiële fotonen. Deze effecten kunnen worden benut om licht te creëren waarvan het spectrum een ​​reeks van veel frequenties op gelijke afstanden bevat.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do en Ashwin Seshia, gevestigd in het Nanoscience Center, probeerden geen foonische frequentiekam te maken, het vibratie-equivalent van de optische kam. Ze onderzochten het gedrag van fononen - de trillingen van de atomen in een kristalstructuur - in een rechthoekige plak silicium, 1100 bij 350 bij 10 micrometer, bedekt met een dunne laag aluminiumnitride, een materiaal dat trilt als reactie op een aangelegde spanning. De wafer was op twee punten aan een draagconstructie bevestigd, waardoor het kan trillen als reactie op een oscillerende aangelegde spanning. Het team observeerde de trillingen van de wafel door laserlicht van het oppervlak te reflecteren. waardoor ze zowel het ruimtelijke patroon als de frequenties van fononen met hoge precisie kunnen opnemen.

Toen ze de oscillerende spanning op bepaalde frequenties toepasten, de onderzoekers waren verrast dat de respons van de wafer de vorm had van een frequentiekam op locaties op het oppervlak met de grootste bewegingsamplitude. Voor een stimulusfrequentie van 3.862 MHz, bijvoorbeeld, het trillingsspectrum van de wafel vertoonde verschillende pieken, gescheiden door 2,6 kHz.

Op zoek naar een verklaring voor deze verrassende bevinding, kwamen de onderzoekers een theoretisch argument uit 2014 tegen, op een schematische manier, hoe je een fononische frequentiekam genereert. Peter Schmelcher van de Universiteit van Hamburg, Duitsland, en zijn collega's hadden zogenaamde Fermi-Pasta-Ulam (FPU) kettingen bestudeerd - verzamelingen massa's verbonden door veren waarvan de herstelkracht niet alleen afhangt van de lengte waarmee ze worden uitgerekt, maar ook van het vierkant en mogelijk de kubus van die lengte . Trillingen van de ketting vertegenwoordigen eendimensionale fononen, en door de niet-lineariteit kunnen deze fononen op elkaar inwerken en nieuwe fononen op verschillende frequenties creëren. Schmelcher en zijn collega's toonden aan dat het trillen van het ene uiteinde van een FPU-keten met een forcerende frequentie die enigszins verschilt van de som van twee resonantiefrequenties een frequentiekam genereert.

Professor Seshia zegt dat hoewel het FPU-model de volledige complexiteit van fonongedrag in een wafer niet kan vastleggen, hij en zijn collega's ontdekten dat het heel goed verantwoordelijk was voor de frequentiekammen die ze observeerden. Net als in het FPU-model, het was belangrijk dat de forceringsfrequentie geen exacte som was van de fononfrequenties van de wafer. Toen aan die voorwaarde was voldaan, er ontstond een kamspectrum met de door de theorie voorspelde afstand. De variatie van de kamrespons terwijl het team de frequentie en kracht van de forcerende vibratie varieerde, volgde ook het FPU-model.

De grootste experimentele moeilijkheid was dat een off-resonantie forcerende frequentie inefficiënt is bij het aanslaan van fononen in de wafer:een frequentiekam ontstond alleen wanneer het vermogen van de forcerende oscillatie een drempelwaarde overschreed. Echter, Professor Seshia zegt dat het niet moeilijk moet zijn om het ontwerp van het apparaat te verbeteren om frequentiekammen gemakkelijker te activeren.

Schmelcher is het ermee eens dat de nieuwe experimenten het theoretische mechanisme verifiëren dat hij en zijn collega's hebben voorgesteld. Hij merkt ook op dat, aangezien een frequentiekam een ​​extra set fononen vertegenwoordigt die trillingsenergie in de wafer kunnen overbrengen, het kan nieuwe manieren openen voor een apparaat om trillingsenergie te absorberen en zo zijn efficiëntie te verbeteren.

Professor Seshia ziet mogelijke toepassingen in micro- en nano-elektromechanische systemen waar het frequentie-interval van een kam een ​​nauwkeurige en stabiele standaardfrequentie zou opleveren die veel lager is dan de frequentie van de fononen zelf. Dat zou bijzonder waardevol kunnen zijn, hij voegt toe, voor het detecteren van veranderingen op zeer lange tijdschalen, zoals gravimeters die langzame veranderingen in het zwaartekrachtveld van de aarde meten.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .