En mikromekanisk enhet genererar en serie exakta, lika fördelade vibrationsfrekvenser, analogt med ljuset från den "optiska frekvenskammen, "som har förbättrat precisionsmätningarna dramatiskt och kan leda till framsteg när det gäller att upptäcka förändringar på mycket långa tidsskalor, till exempel mätning av långsamma förändringar i jordens gravitationsfält.

Nobelprisvinnande uppfinning av den optiska frekvenskammen-ljus vars spektrum innehåller en serie skarpa, lika fördelade toppar-har revolutionerat utformningen av atomur och andra högprecisionsanordningar. Forskare har nu skapat en fononisk frekvenskam, där spektrumet av vibrationer i en kristall följer samma mönster som den optiska kammen. Upptäckten bekräftar en ny teoretisk förutsägelse och kan vara användbar för precisionsmätningar som kräver en stabil, lågfrekvent standard, som de som involverar långsamma förändringar.

Optiska frekvenskammar har dramatiskt förenklat och förbättrat precisionstidsmätning, bland andra områden. Ett sätt att generera en optisk frekvenskam är med hjälp av ett 'olinjärt' medium där fotoner interagerar med varandra för att generera nya fotoner vid frekvenser som skiljer sig från de ursprungliga fotonernas. Dessa effekter kan utnyttjas för att skapa ljus vars spektrum innehåller en serie med många lika fördelade frekvenser.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do och Ashwin Seshia, baserat i Nanoscience Center, försökte inte skapa en fononisk frekvenskam, vibrationsekvivalenten för den optiska kammen. De undersökte beteendet hos fononer - atomernas vibrationer i en kristallstruktur - i en rektangulär skiva av kisel, 1100 x 350 x 10 mikrometer, täckt av ett tunt lager aluminiumnitrid, ett material som vibrerar som svar på en applicerad spänning. Skivan fästes på en stödstruktur vid två punkter, låta den vibrera som svar på en oscillerande applicerad spänning. Teamet observerade skivans vibrationer genom att reflektera laserljus från dess yta, så att de kan spela in både det rumsliga mönstret och frekvenserna för fononer med hög precision.

När de applicerade den oscillerande spänningen vid vissa frekvenser, forskarna blev förvånade över att skivans svar hade formen av en frekvenskam på platser på ytan med den största rörelseamplituden. För en stimulansfrekvens på 3,862 MHz, till exempel, skivans vibrationsspektrum visade flera toppar åtskilda med 2,6 kHz.

Söker en förklaring till detta överraskande fynd, forskarna stötte på ett teoretiskt argument från 2014 som skildrar, på ett schematiskt sätt, hur man genererar en fononisk frekvenskam. Peter Schmelcher vid universitetet i Hamburg, Tyskland, och hans kollegor hade studerat så kallade Fermi-Pasta-Ulam (FPU) -kedjor-uppsättningar massor anslutna med fjädrar vars återställande kraft inte bara beror på längden med vilken de sträcks utan också på torget och eventuellt kuben av den längden . Kedjans vibrationer representerar endimensionella fononer, och olineariteten gör att dessa fononer kan interagera och skapa nya fononer vid olika frekvenser. Schmelcher och hans kollegor visade att vibrerande ena änden av en FPU -kedja vid en tvingande frekvens som skiljer sig något från summan av två resonansfrekvenser genererar en frekvenskam.

Professor Seshia säger att även om FPU -modellen inte kan fånga hela komplexiteten av fononbeteende i en skiva, han och hans kollegor fann att det stod mycket bra för frekvenskammarna de observerade. Som i FPU -modellen, det var viktigt att tvingningsfrekvensen inte var en exakt summa av skivans fononfrekvenser. När det villkoret var uppfyllt, ett kamspektrum uppstod med avståndet förutsagt av teorin. Variationen av kammsvaret när teamet varierade frekvensen och kraften hos tvingande vibrationer följde också FPU -modellen.

Den huvudsakliga experimentella svårigheten var att en off-resonans-tvingande frekvens är ineffektiv vid spännande fononer i skivan:en frekvenskam uppstod först när kraften i tvingande oscillation överskred ett tröskelvärde. Dock, Professor Seshia säger att det inte borde vara svårt att förbättra utformningen av enheten för att lättare väcka frekvenskammar.

Schmelcher håller med om att de nya experimenten verifierar den teoretiska mekanism som han och hans kollegor föreslog. Han noterar också att eftersom en frekvenskam representerar en ytterligare uppsättning fononer som kan överföra vibrationsenergi i skivan, det kan öppna nya sätt för en enhet att absorbera vibrationsenergi och därmed förbättra dess effektivitet.

Professor Seshia ser möjliga tillämpningar i mikro- och nano-elektromekaniska system där frekvensintervallet för en kam skulle ge en exakt och stabil standardfrekvens mycket lägre än frekvensen för själva fononerna. Det kan vara särskilt värdefullt, han lägger till, för att upptäcka förändringar på mycket långa tidsskalor, som gravimetrar som mäter långsamma förändringar i jordens gravitationsfält.

Denna forskning publiceras i Fysiska granskningsbrev .