Svepelektronmikrofotografi av en polygonresonator. Insättningen visar formen på perimeterläget. Kredit:Mohammad J. Bereyhi (EPFL)
Vibrationslägena hos nanomekaniska resonatorer är analoga med olika toner i en gitarrsträng och har liknande egenskaper som frekvens (tonhöjd) och livslängd. Livslängden kännetecknas av kvalitetsfaktorn, vilket är antalet gånger som resonatorn svänger tills dess energi minskar med 70 %. Kvalitetsfaktorn är avgörande för de moderna tillämpningarna av mekaniska resonatorer eftersom den bestämmer nivån på termiskt brus, vilket är en gräns för avkänning av svaga krafter och observation av kvanteffekter.
Nu visar forskare vid EPFL under ledning av professor Tobias J. Kippenberg att en vanlig polygon upphängd i sina hörn stöder vibrationslägen längs omkretsen med extremt höga kvalitetsfaktorer. Detta är en konsekvens av den geometriska symmetrin hos vanliga polygoner, kombinerat med de elastiska egenskaperna hos strukturer under spänning. Detta tillvägagångssätt för förlustteknik har en viktig fördel jämfört med tidigare tekniker:realisering av högkvalitativa faktorer i enheter med mycket mindre fotavtryck.
"De nya perimeterlägena slår inte bara rekordet för högsta kvalitetsfaktor, utan är nästan 20 gånger mer kompakta än enheter med liknande prestanda", säger Nils Engelsen, studiens seniorförfattare. "Kompaktheten kommer med verkliga praktiska fördelar. I vårt laboratorium försöker vi mäta och kontrollera mekaniska vibrationer på kvantnivå med hjälp av ljus, vilket kräver upphängning av mekaniska resonatorer mindre än en mikrometer från en struktur som styr ljus. Denna bedrift är mycket enklare med kompakta enheter."
Den okomplicerade designen av polygonresonatorerna gör att författarna kan ta ett steg längre och skapa en kedja av anslutna polygonresonatorer. Denna kedja av kopplade oscillatorer kan bete sig slående annorlunda än en enskild resonator. Författarna studerar den speciella dynamiken i denna kedja, som härrör från hur resonatorerna är anslutna.
Precisionskraftavkänning är en viktig tillämpning av nanomekaniska resonatorer. Genom att mäta positionsfluktuationerna för en polygonresonator med hjälp av en optisk interferometer, visar författarna att dessa resonatorer kan mäta kraftfluktuationer så låga som 1 attonewton. Denna känslighetsnivå närmar sig den för toppmoderna atomkraftmikroskop.
"Vi hoppas att den påvisade kraftkänsligheten hos polygonerna i kombination med deras kompakthet och enkelhet kommer att inspirera deras användning i faktiska kraftmikroskop", säger Mohammad Bereyhi, som ledde studien publicerad i Physical Review X .
"Hittills har förbättringar av mekaniska kvalitetsfaktorer kommit till priset av ökad storlek och ökad designkomplexitet, vilket gör toppmoderna enheter mycket svåra att tillverka. Med perimeterlägen är det en annan historia. Jag tror att enkelheten hos den här nya designen utökar avsevärt dess potential att hitta nya och lovande applikationer." + Utforska vidare
