Forskare vid Niels Bohr Institute har introducerat en ny typ av nanomekanisk resonator, där ett hålmönster lokaliserar vibrationer till ett litet område i ett 30 nm tjockt membran. Mönstret undertrycker dramatiskt koppling till slumpmässiga fluktuationer i miljön, öka vibrationernas koherens. Forskarnas kvantitativa förståelse och numeriska modeller ger en mångsidig plan för ultrakoherenta nanomekaniska enheter. Bland andra, detta gör det möjligt för en ny generation nanomekaniska sensorer att undersöka kvantgränser för mekaniska mätningar, och mer känslig kraftmikroskopi. Resultaten publiceras i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften, Naturnanoteknik .

Mikro- och nanomekaniska enheter är allestädes närvarande inom vetenskap och teknik:de får klockor att ticka, låta smartphones och bilar känna acceleration, och tillhandahålla det grundläggande element som Atomic Force Microscopes (AFM) och dess sofistikerade derivat förlitar sig på. På senare tid, sådana enheter har också kommit i fokus för Quantum Science. Experiment med de mest avancerade mekaniska sensorerna undersöker nu grundläggande kvantgränser för mätkrafter, testar tio år gammal, nyrelevanta förutsägelser från gravitationsvågdetekteringsgemenskapen. Kvantaktiverade mekaniska enheter är också redo att spela en roll inom kvantkommunikation och datorteknik, till exempel som minne eller gränssnittselement.

En avgörande egenskap för mekaniska anordningar i dessa applikationer är deras sammanhang:det kvantifierar i huvudsak hur mycket (eller helst, lite) rörelsedynamiken störs av slumpmässiga fluktuationer i miljön. För en mekanisk resonator som pendlar vid frekvens f, en hög kvalitetsfaktor Q indikerar hög koherens (per definition, Q/2pf är resonatorns energilagringstid). På samma gång, mätkrafterna gynnas av en liten rörlig massa m. Då har mindre krafter en större påverkan på sensorns rörelse. Tyvärr, dock, dessa krav kan vara motstridiga:tidigare forskning har visat att låg massa m ofta medför låg Q och vice versa.

Uppdatera läroböckerna

Nu leds forskare av Albert Schliesser, Professor vid Niels Bohr Institute, har introducerat en ny typ av nanomekanisk resonator som trotsar denna heuristiska regel. Den är baserad på ett kiselnitridmembran som sträcker sig över en kiselram som en timpanos trumspets. Ändå är dess laterala dimensioner bara i millimeterområdet, och den är tunn som några tio nanometer (fig. 1). Dess särdrag är ett mönster av hål etsade genom membranet. Mönstrets periodicitet ger upphov till en fononisk bandgap, det är, ett frekvensområde där elastiska vågor inte kan föröka sig. Detta gör det möjligt att begränsa vibrationer - vars frekvens faller inom detta område - till en central ö utan hål, som kallas defekten (fig. 2). Med tanke på defektens lilla storlek, den vibrerande massan uppgår till bara några få nanogram.

Avgörande, hålmönstret ökar också Q-faktorn för defektens vibrationer på två kompletterande sätt, som Albert Schliesser förklarar:"Å ena sidan, det förhindrar förlust av vibrationsenergi genom att elastiska vågor sprider sig bort - detta var väl känt. Å andra sidan, den håliga delen av membranet kan fortfarande försiktigt röra sig, och ger därmed en mjuk övergång mellan vibrationsdefekten och anordningens nödvändigtvis statiska ram. "Sådan mjuk klämning utgör en ny typ av gränsvillkor till ett mekaniskt kompatibelt element, till skillnad från olika former - "glidning", 'fäst', "fastklämd" och "fri" - känd för maskintekniska läroböcker. Och det är just denna mjuka fastspänning som kraftigt ökar Q-faktorn via en effekt som kallas dissipationsspädning. de uppnådda kvalitetsfaktorerna på mer än 200 miljoner är oöverträffade för resonatorer vid megahertz -frekvenser. Mest anmärkningsvärt, dessa siffror uppnås vid rumstemperatur. Konventionell visdom antyder att resonatorer gjorda av något av de mycket använda materialen som kvarts, kisel, eller diamant, kan inte uppnå så höga produkter med frekvens och kvalitetsfaktor, om de inte kyls kryogeniskt. "Dock, med rätt tillverkningsprocess, vårt tillvägagångssätt kan i princip tillämpas på resonatorer av vilket material som helst, och därmed öka Q, "säger doktoranden Yeghishe Tsaturyan, som tillverkade enheterna på Danchip nanofabrication anläggning.

En ny generation kvantgivare

"Detta gör denna studie särskilt användbar, "tillägger Albert Schliesser, "med vår modell och numeriska simuleringar, vi har nu en deterministisk, men mångsidig metod för att designa och bygga extremt sammanhängande resonatorer. Detta brukade vara mer av en mörk konst. Nu kan du ta det och anpassa det till dina krav. "

Men den rekordhöga samstämmigheten mellan de enheter som skapats i det aktuella arbetet är redan attraktiv för ett antal applikationer. Speciellt experiment inom kvantoptomekanik kommer att dra massiv nytta av den nästan 100-faldiga förbättrade koherensen, jämfört med första generationens membranresonatorer. Krafter i samband med kvantvakuumfluktuationer förväntas vara extremt framträdande, möjliggör detaljerade studier av deras effekter även i komplexa miljöer och, så småningom, rumstemperatur. Detta kommer att tillåta nya undersökningar av kvantgränser för kraft- och förskjutningsmätningar, begrepp som är mycket relevanta inte minst för konstruktion av tyngdkraftsvågdetektorer.

En annan väg av intresse är att använda membranen i magnetresonanskraftsmikroskop (MRFM). Liknar en AFM, dessa instrument är baserade på en kraftmätning, och uppnå extrem rymdupplösning i nanometerskala. Till skillnad från AFM, MRFM -bilder visar provets magnetiska egenskaper, jämförbar med MR -skannrar som är kända från klinisk användning. I sin fulla potential, MRFM lovar inte mindre än kemiskt selektiva 3d-bilder av, till exempel, ett virus med molekylär upplösning. Detta skulle möjliggöra nya insikter om struktur och funktion av biologiska system på molekylär skala. De håliga resonatorer som introducerades vid Niels Bohr -institutet kan hjälpa till att närma sig detta mål.