Holey-mønster øger sammenhængen mellem nanomekaniske membranvibrationer

Forskere ved Niels Bohr Institutet har introduceret en ny type nanomekanisk resonator, hvor et mønster af huller lokaliserer vibrationer til et lille område i en 30 nm tyk membran. Mønsteret undertrykker dramatisk kobling til tilfældige udsving i miljøet, øger vibrationernes sammenhæng. Forskernes kvantitative forståelse og numeriske modeller giver et alsidigt plan for ultrakohærente nanomekaniske enheder. Blandt andre, dette gør det muligt for en ny generation af nanomekaniske sensorer at undersøge kvantegrænser for mekaniske målinger, og mere følsom kraftmikroskopi. Resultaterne er offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift, Natur nanoteknologi .

Mikro- og nanomekaniske enheder er allestedsnærværende i videnskab og teknologi:de får ure til at tikke, tillade smartphones og biler at mærke acceleration, og giver det grundlæggende element, som Atomic Force Microscopes (AFM) og dets sofistikerede derivater er afhængige af. For nylig, sådanne enheder er også kommet i fokus for Quantum Science. Eksperimenter med de mest avancerede mekaniske sensorer undersøger nu fundamentale kvantegrænser for måling af kræfter, test årti gammel, nye relevante forudsigelser fra gravitationsbølgedetektionssamfundet. Kvanteaktiverede mekaniske enheder er også klar til at spille en rolle i kvantekommunikation og computerteknologier, for eksempel som hukommelse eller interface-elementer.

Et afgørende kendetegn for mekaniske enheder i disse applikationer er deres sammenhæng:det kvantificerer i det væsentlige, hvor meget (eller helst, lidt) bevægelsesdynamikken forstyrres af tilfældige udsving i miljøet. For en mekanisk resonator, der oscillerer ved frekvensen f, en høj kvalitetsfaktor Q indikerer høj sammenhæng (per definition, Q/2pf er energilagringstiden for resonatoren). På samme tid, at måle kræfter har gavn af en lille bevægelig masse m. Så har mindre kræfter en mere væsentlig indflydelse på sensorens bevægelse. Desværre, imidlertid, disse krav kan være modstridende:Tidligere forskning har vist, at lav masse m ofte medfører lav Q og omvendt.

Opdater lærebøgerne

Nu forskere ledet af Albert Schliesser, Professor ved Niels Bohr Instituttet, har introduceret en ny slags nanomekanisk resonator, der trodser denne heuristiske regel. Den er baseret på en siliciumnitridmembran strakt over en siliciumramme som en paukes trommeskive. Alligevel er dens laterale dimensioner kun i millimeterområdet, og den er så tynd som nogle få 10'ere nanometer (fig. 1). Dets kendetegn er et mønster af huller, der er ætset gennem membranen. Mønsterets periodicitet giver anledning til et fononisk båndgab, det er, et frekvensområde, hvor elastiske bølger ikke kan forplante sig. Dette gør det muligt at begrænse vibrationer - hvis frekvens falder inden for dette område - til en central ø uden huller, som omtales som defekten (fig. 2). I betragtning af defektens lille størrelse, den vibrerende masse udgør kun nogle få nanogram.

Afgørende, hulmønsteret booster også Q-faktoren af ​​defektens vibrationer på to komplementære måder, som Albert Schliesser forklarer:"På den ene side, det forhindrer tab af vibrationsenergi ved at elastiske bølger forplanter sig væk - dette var velkendt. På den anden side, den hullede del af membranen kan stadig forsigtigt bevæge sig, og dermed give en blød overgang mellem den vibrerende defekt og den nødvendigvis statiske ramme af enheden." En sådan blød fastspænding udgør en ny type grænsetilstand til et mekanisk eftergivende element, i modsætning til forskellige former - 'glidende', 'fastgjort', 'fastspændt' og 'fri' - kendt af lærebøger om maskinteknik. Og det er netop denne bløde fastspænding, der massivt booster Q-faktoren via en effekt kaldet dissipationsfortynding. de opnåede kvalitetsfaktorer på mere end 200 millioner er uden fortilfælde for resonatorer ved megahertz-frekvenser. Mest bemærkelsesværdigt, disse tal opnås ved stuetemperatur. Konventionel visdom antyder, at resonatorer lavet af et hvilket som helst af de meget anvendte materialer såsom kvarts, silicium, eller diamant, ikke kan opnå så høje produkter af frekvens og kvalitetsfaktor, medmindre de afkøles kryogenisk. "Imidlertid, med den rigtige fremstillingsproces, vores tilgang kan i princippet anvendes på resonatorer af ethvert materiale, og derved øge Q, " siger ph.d.-studerende Yeghishe Tsaturyan, der lavede apparaterne på Danchips nanofabrikation.

En ny generation af kvantesensorer

"Dette gør denne undersøgelse særlig nyttig, " tilføjer Albert Schliesser, "med vores model og numeriske simuleringer, vi har nu en deterministisk, men alsidig tilgang til at designe og bygge ekstremt sammenhængende resonatorer. Dette plejede at være mere en mørk kunst. Nu kan du tage det og tilpasse det til dine krav."

Men den rekordhøje sammenhæng mellem de enheder, der er skabt i nærværende værk, er allerede attraktiv for en række anvendelser. Især eksperimenter i kvanteoptomekanik vil have stor gavn af den næsten 100 gange forbedrede sammenhæng, sammenlignet med første generations membranresonatorer. Kræfter forbundet med kvantevakuumsvingninger forventes at være ekstremt fremtrædende, tillader detaljerede undersøgelser af deres virkninger også i komplekse omgivelser og, til sidst, stuetemperatur. Dette vil tillade nye undersøgelser af kvantegrænser for kraft- og forskydningsmålinger, koncepter yderst relevante ikke mindst for design af tyngdebølgedetektorer.

En anden vej af interesse er at bruge membranerne i magnetiske resonanskraftmikroskoper (MRFM). I lighed med en AFM, disse instrumenter er baseret på en kraftmåling, og opnå ekstrem rumlig opløsning på nanometerskalaen. I modsætning til AFM, MRFM billeder magnetiske egenskaber af prøven, sammenlignes med MR-scannere kendt fra klinisk brug. På sit fulde potentiale, MRFM lover intet mindre end kemisk selektive 3d-billeder af, for eksempel, en virus i molekylær opløsning. Dette ville tillade ny indsigt i struktur og funktion af biologiske systemer på molekylær skala. De hullede resonatorer, der blev introduceret på Niels Bohr Institutet, kunne hjælpe med at nå dette mål.