Onderzoekers van het Niels Bohr Instituut hebben een nieuw type nanomechanische resonator geïntroduceerd, waarin een patroon van gaten trillingen lokaliseert naar een klein gebied in een 30 nm dik membraan. Het patroon onderdrukt de koppeling met willekeurige fluctuaties in de omgeving drastisch, het versterken van de samenhang van de trillingen. Het kwantitatieve begrip en de numerieke modellen van de onderzoekers bieden een veelzijdige blauwdruk voor ultracoherente nanomechanische apparaten. Onder andere, hierdoor kan een nieuwe generatie nanomechanische sensoren de kwantumlimieten van mechanische metingen onderzoeken, en meer gevoelige krachtmicroscopie. De resultaten worden gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift, Natuur Nanotechnologie .

Micro- en nanomechanische apparaten zijn alomtegenwoordig in wetenschap en technologie:ze laten horloges tikken, laat smartphones en auto's acceleratie voelen, en bieden het basiselement waarop Atomic Force Microscopes (AFM) en zijn geavanceerde derivaten vertrouwen. Recenter, dergelijke apparaten zijn ook onder de aandacht gekomen van Quantum Science. Experimenten met de meest geavanceerde mechanische sensoren onderzoeken nu fundamentele kwantumlimieten voor het meten van krachten, tien jaar oude testen, nieuwe relevante voorspellingen van de zwaartekrachtsgolfdetectiegemeenschap. Quantum-enabled mechanische apparaten zijn ook klaar om een ​​rol te spelen in kwantumcommunicatie en computertechnologieën, bijvoorbeeld als geheugen- of interface-elementen.

Een cruciaal kenmerk van mechanische apparaten in deze toepassingen is hun samenhang:het kwantificeert in wezen hoeveel (of bij voorkeur, weinig) de bewegingsdynamiek wordt verstoord door willekeurige fluctuaties in de omgeving. Voor een mechanische resonator die oscilleert met frequentie f, een hoge kwaliteitsfactor Q duidt op een hoge coherentie (per definitie, Q/2pf is de energieopslagtijd van de resonator). Tegelijkertijd, het meten van krachten profiteert van een kleine bewegende massa m. Dan hebben kleinere krachten een grotere invloed op de beweging van de sensor. Helaas, echter, deze vereisten kunnen tegenstrijdig zijn:onderzoek uit het verleden heeft aangetoond dat een lage massa m vaak gepaard gaat met een lage Q en vice versa.

Werk de studieboeken bij

Nu onderzoekers onder leiding van Albert Schliesser, Professor aan het Niels Bohr Instituut, hebben een nieuw soort nanomechanische resonator geïntroduceerd die deze heuristische regel tart. Het is gebaseerd op een siliciumnitride-membraan dat als een trommelvel van een pauk over een siliciumframe is gespannen. Toch zijn de laterale afmetingen slechts in het millimeterbereik, en het is zo dun als enkele tientallen nanometers (Fig. 1). Het onderscheidende kenmerk is een patroon van gaten dat door het membraan is geëtst. De periodiciteit van het patroon geeft aanleiding tot een fononische bandgap, dat is, een frequentiebereik waarin elastische golven zich niet kunnen voortplanten. Dit maakt het mogelijk om trillingen - waarvan de frequentie binnen dit bereik valt - te beperken tot een centraal eiland zonder gaten, wat het defect wordt genoemd (Fig. 2). Gezien de kleine omvang van het defect, de vibrerende massa bedraagt ​​slechts enkele nanogrammen.

Cruciaal, het gatenpatroon verhoogt ook de Q-factor van de trillingen van het defect op twee complementaire manieren, zoals Albert Schliesser uitlegt:"Aan de ene kant het voorkomt verlies van trillingsenergie door elastische golven die zich voortplanten - dit was algemeen bekend. Anderzijds, het gatengedeelte van het membraan kan nog zachtjes bewegen, en zorgen zo voor een zachte overgang tussen het trillende defect en het noodzakelijkerwijs statische frame van het apparaat." Een dergelijke zachte klemming vormt een nieuw type randvoorwaarde voor een mechanisch meegevend element, in tegenstelling tot verschillende vormen - 'glijdend', 'vastgezet', 'geklemd' en 'vrij' - bekend in leerboeken voor werktuigbouwkunde. En het is precies deze zachte klemming die de Q-factor enorm verhoogt via een effect dat dissipatieverdunning wordt genoemd. de bereikte kwaliteitsfactoren van meer dan 200 miljoen zijn ongekend voor resonatoren op megahertz-frequenties. Het meest opmerkelijk, deze cijfers worden bereikt bij kamertemperatuur. Conventionele wijsheid suggereert dat resonatoren gemaakt van een van de veelgebruikte materialen zoals kwarts, silicium, of diamant, kan zulke hoge producten van frequentie en kwaliteitsfactor niet bereiken, tenzij ze cryogeen worden gekoeld. "Echter, met het juiste fabricageproces, onze aanpak kan in principe worden toegepast op resonatoren van elk materiaal, en daardoor de Q verhogen, " zegt promovendus Yeghishe Tsaturyan, die de apparaten maakte in de Danchip-nanofabricagefaciliteit.

Een nieuwe generatie kwantumsensoren

"Dit maakt deze studie bijzonder nuttig, " voegt Albert Schliesser toe, "met ons model en numerieke simulaties, we hebben nu een deterministische, maar veelzijdige benadering van het ontwerpen en bouwen van uiterst coherente resonatoren. Vroeger was dit meer een duistere kunst. Nu kunt u het meenemen en aanpassen aan uw vereisten."

Maar de recordhoge coherentie van de apparaten die in het huidige werk zijn gecreëerd, is al aantrekkelijk voor een aantal toepassingen. Vooral experimenten in kwantumoptomechanica zullen enorm profiteren van de bijna 100-voudig verbeterde coherentie, vergeleken met membraanresonatoren van de eerste generatie. Krachten die verband houden met kwantumvacuümfluctuaties zullen naar verwachting extreem prominent zijn, waardoor gedetailleerde studies van hun effecten ook in complexe omgevingen mogelijk zijn en, eventueel, kamertemperatuur. Dit zal nieuwe onderzoeken van kwantumlimieten voor kracht- en verplaatsingsmetingen mogelijk maken, concepten die zeer relevant zijn, niet in de laatste plaats voor het ontwerp van zwaartekrachtgolfdetectoren.

Een andere interessante mogelijkheid is om de membranen te gebruiken in magnetische resonantiekrachtmicroscopen (MRFM). Net als bij een AFM, deze instrumenten zijn gebaseerd op een krachtmeting, en het bereiken van extreme ruimtelijke resolutie op nanometerschaal. In tegenstelling tot AFM, MRFM brengt magnetische eigenschappen van het monster in beeld, vergelijkbaar met MRI-scanners die bekend zijn uit klinisch gebruik. Op zijn volle potentieel, MRFM belooft niet minder dan chemisch selectieve 3D-beelden van, bijvoorbeeld, een virus met moleculaire resolutie. Dit zou nieuwe inzichten mogelijk maken in structuur en functie van biologische systemen op moleculaire schaal. De holle resonatoren die bij het Niels Bohr Instituut werden geïntroduceerd, zouden dit doel kunnen helpen bereiken.