Nye nanomekaniske oscillatorer med rekordlavt tab

Vibrationstilstandene for nanomekaniske resonatorer er analoge med forskellige toner af en guitarstreng og har lignende egenskaber såsom frekvens (pitch) og levetid. Levetiden er karakteriseret ved kvalitetsfaktoren, som er det antal gange, som resonatoren svinger, indtil dens energi er reduceret med 70 %. Kvalitetsfaktoren er afgørende for de moderne anvendelser af mekaniske resonatorer, da den bestemmer niveauet af termisk støj, som er en grænse for sansning af svage kræfter og observation af kvanteeffekter.

Nu viser forskere ved EPFL ledet af professor Tobias J. Kippenberg, at en regulær polygon, der er ophængt i sine spidser, understøtter vibrationstilstande langs omkredsen med ekstremt høje kvalitetsfaktorer. Dette er en konsekvens af den geometriske symmetri af regulære polygoner, kombineret med de elastiske egenskaber af strukturer under spænding. Denne tilgang til tab-engineering har en vigtig fordel i forhold til tidligere teknikker:realisering af højkvalitetsfaktorer i enheder med meget mindre fodspor.

"De nye perimetertilstande slår ikke kun rekorden for den højeste kvalitetsfaktor, men er næsten 20 gange mere kompakt end enheder med lignende ydeevne," siger Nils Engelsen, undersøgelsens seniorforfatter. "Kompaktheden kommer med reelle praktiske fordele. I vores laboratorium forsøger vi at måle og kontrollere mekaniske vibrationer på kvanteniveau ved hjælp af lys, som kræver ophængning af mekaniske resonatorer mindre end en mikrometer fra en struktur, der leder lys. Denne bedrift er meget enklere. med kompakte enheder."

Det ukomplicerede design af polygonresonatorerne gør det muligt for forfatterne at tage et skridt videre og lave en kæde af forbundne polygonresonatorer. Denne kæde af koblede oscillatorer kan opføre sig slående anderledes end en enkelt resonator. Forfatterne studerer den særlige dynamik i denne kæde, som opstår fra den måde, resonatorerne er forbundet på.

Præcisionskraftregistrering er en vigtig anvendelse af nanomekaniske resonatorer. Ved at måle positionsfluktuationerne af en polygonresonator ved hjælp af et optisk interferometer, demonstrerer forfatterne, at disse resonatorer kan måle kraftudsving så lave som 1 attonewton. Dette følsomhedsniveau nærmer sig niveauet for avancerede atomkraftmikroskoper.

"Vi håber, at polygonernes demonstrerede kraftfølsomhed kombineret med deres kompakthed og enkelhed vil inspirere til deres brug i faktiske kraftmikroskoper," siger Mohammad Bereyhi, der ledede undersøgelsen offentliggjort i Physical Review X .

"Indtil videre er forbedringer i mekaniske kvalitetsfaktorer kommet på bekostning af øget størrelse og øget designkompleksitet, hvilket gør avancerede enheder meget vanskelige at fremstille. Med perimetertilstande er det en anden historie. Jeg tror på, at enkelheden af dette nye design udvider i høj grad dets potentiale til at finde nye og lovende applikationer." + Udforsk yderligere

Ring min streng:Byg silicium nano-strenge