Det berømte optiske trick går i vibration

En mikromekanisk enhed genererer en række præcise, vibrationsfrekvenser med lige stor afstand, analogt med lyset fra den "optiske frekvens kam, ", som har dramatisk forbedret præcisionsmålinger og kan føre til fremskridt med hensyn til at detektere ændringer på meget lange tidsskalaer, såsom måling af langsomme ændringer i jordens gravitationsfelt.

Den nobelprisvindende opfindelse af den optiske frekvenskam – lys, hvis spektrum indeholder en række skarpe, lige store spidser – har revolutioneret designet af atomure og andre højpræcisionsenheder. Forskere har nu skabt en fononisk frekvenskam, hvor spektret af vibrationer af en krystal følger samme mønster som den optiske kam. Opdagelsen bekræfter en nylig teoretisk forudsigelse og kan være nyttig til præcisionsmålinger, der kræver en stabil, lavfrekvent standard, såsom dem, der involverer langsomme ændringer.

Optiske frekvenskamme har dramatisk forenklet og forbedret præcisionstidsmåling, blandt andre felter. En måde at generere en optisk frekvenskam på er ved hjælp af et 'ikke-lineært' medium, hvor fotoner interagerer med hinanden for at generere nye fotoner ved frekvenser, der er forskellige fra de oprindelige fotoner. Disse effekter kan udnyttes til at skabe lys, hvis spektrum indeholder en række af mange lige store frekvenser.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do og Ashwin Seshia, baseret i Nanoscience Center, forsøgte ikke at skabe en fononisk frekvenskam, vibrationsækvivalenten til den optiske kam. De undersøgte opførselen af ​​fononer - atomernes vibrationer i en krystalstruktur - i en rektangulær wafer af silicium, 1100 x 350 x 10 mikrometer, dækket af et tyndt lag aluminiumnitrid, et materiale, der vibrerer som reaktion på en påført spænding. Waferen blev fastgjort til en støttestruktur på to punkter, lader den vibrere som reaktion på en oscillerende påført spænding. Holdet observerede waferens vibrationer ved at reflektere laserlys fra dens overflade, giver dem mulighed for at optage både det rumlige mønster og frekvenserne af fononer med høj præcision.

Når de påførte oscillerende spænding ved bestemte frekvenser, forskerne var overraskede over, at waferens respons havde form af en frekvenskam på steder på overfladen med den største bevægelsesamplitude. For en stimulusfrekvens på 3,862 MHz, for eksempel, waferens vibrationsspektrum viste flere toppe adskilt af 2,6 kHz.

Leder efter en forklaring på dette overraskende fund, forskerne stødte på et teoretisk argument fra 2014, der viser, på en skematisk måde, hvordan man genererer en fononisk frekvenskam. Peter Schmelcher fra universitetet i Hamborg, Tyskland, og hans kolleger havde studeret såkaldte Fermi-Pasta-Ulam (FPU) kæder - sæt af masser forbundet med fjedre, hvis genopretningskraft ikke kun afhænger af længden, hvormed de strækkes, men også af kvadratet og muligvis terningen af ​​den længde . Vibrationer af kæden repræsenterer endimensionelle fononer, og ikke-lineariteten tillader disse fononer at interagere og skabe nye fononer ved forskellige frekvenser. Schmelcher og hans kolleger viste, at vibrering af den ene ende af en FPU-kæde ved en forceringsfrekvens, der er lidt forskellig fra summen af ​​to resonansfrekvenser, genererer en frekvenskam.

Professor Seshia siger, at selvom FPU-modellen ikke kan fange den fulde kompleksitet af fononadfærd i en wafer, han og hans kolleger fandt ud af, at det stod meget godt for de frekvenskamme, de observerede. Som i FPU-modellen, det var vigtigt, at forceringsfrekvensen ikke var en nøjagtig sum af waferens fononfrekvenser. Da denne betingelse var opfyldt, et kamspektrum opstod med den afstand, som teorien forudsagde. Variationen af ​​kamreaktionen, da holdet varierede frekvensen og kraften af ​​den forcerede vibration, fulgte også FPU-modellen.

Den største eksperimentelle vanskelighed var, at en off-resonans-tvingende frekvens er ineffektiv til at excitere fononer i waferen:en frekvenskam opstod kun, når kraften af ​​forceringsoscillationen oversteg en tærskelværdi. Imidlertid, Professor Seshia siger, at det ikke burde være svært at forbedre designet af enheden for lettere at excitere frekvenskamme.

Schmelcher er enig i, at de nye eksperimenter bekræfter den teoretiske mekanisme, som han og hans kolleger foreslog. Han bemærker også, at da en frekvenskam repræsenterer et ekstra sæt fononer, der kan transmittere vibrationsenergi i waferen, det kan åbne op for nye måder for en enhed til at absorbere vibrationsenergi og dermed forbedre dens effektivitet.

Professor Seshia ser mulige anvendelser i mikro- og nano-elektromekaniske systemer, hvor frekvensintervallet af en kam ville give en præcis og stabil standardfrekvens, der er meget lavere end frekvensen af ​​selve fononerne. Det kunne være særligt værdifuldt, tilføjer han, til at detektere ændringer på meget lange tidsskalaer, såsom gravimetre, der måler langsomme ændringer i jordens gravitationsfelt.

Denne forskning er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .