Nieuwe nanomechanische oscillatoren met recordverlies

De vibratiemodi van nanomechanische resonatoren zijn analoog aan verschillende tonen van een gitaarsnaar en hebben vergelijkbare eigenschappen zoals frequentie (toonhoogte) en levensduur. De levensduur wordt gekenmerkt door de kwaliteitsfactor, dit is het aantal keren dat de resonator oscilleert totdat zijn energie met 70% is verminderd. De kwaliteitsfactor is cruciaal voor de moderne toepassingen van mechanische resonatoren omdat deze het niveau van thermische ruis bepaalt, wat een limiet is voor het waarnemen van zwakke krachten en het observeren van kwantumeffecten.

Nu laten wetenschappers van EPFL onder leiding van professor Tobias J. Kippenberg zien dat een regelmatige veelhoek die op zijn hoekpunten hangt, trillingsmodi langs de omtrek ondersteunt met factoren van extreem hoge kwaliteit. Dit is een gevolg van de geometrische symmetrie van regelmatige veelhoeken, gecombineerd met de elastische eigenschappen van constructies onder spanning. Deze benadering van loss-engineering heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van eerdere technieken: het realiseren van hoogwaardige factoren in apparaten met veel kleinere footprints.

“De nieuwe perimetermodi verslaan niet alleen het record voor de hoogste kwaliteitsfactor, maar zijn bijna 20 keer compacter dan apparaten met vergelijkbare prestaties”, zegt Nils Engelsen, senior auteur van het onderzoek. “De compactheid heeft echte praktische voordelen. In ons laboratorium proberen we mechanische trillingen op kwantumniveau te meten en te beheersen met behulp van licht, waarvoor mechanische resonatoren moeten worden opgehangen op minder dan een micrometer van een structuur die licht geleidt. Deze prestatie is veel eenvoudiger met compacte apparaten.”

Het ongecompliceerde ontwerp van de polygoonresonatoren stelt de auteurs in staat nog een stap verder te gaan en een keten van verbonden polygoonresonatoren te maken. Deze keten van gekoppelde oscillatoren kan zich opvallend anders gedragen dan een enkele resonator. De auteurs bestuderen de bijzondere dynamiek van deze keten, die voortkomt uit de manier waarop de resonatoren zijn verbonden.

Precisiekrachtmeting is een belangrijke toepassing van nanomechanische resonatoren. Door de positiefluctuaties van een polygoonresonator te meten met behulp van een optische interferometer, tonen de auteurs aan dat deze resonatoren krachtfluctuaties kunnen meten van slechts 1 attonwton. Dit niveau van gevoeligheid benadert dat van state-of-the-art atomic force microscopen.

“We hopen dat de aangetoonde krachtgevoeligheid van de polygonen in combinatie met hun compactheid en eenvoud hun gebruik in daadwerkelijke krachtmicroscopen zal inspireren”, zegt Mohammad Bereyhi, die de studie leidde die werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling X.

“Tot nu toe zijn verbeteringen in mechanische kwaliteitsfactoren ten koste gegaan van een grotere omvang en een grotere ontwerpcomplexiteit, waardoor geavanceerde apparaten erg moeilijk te fabriceren zijn. Met perimetermodi is het een ander verhaal. Ik geloof dat de eenvoud van dit nieuwe ontwerp vergroot het potentieel om nieuwe en veelbelovende toepassingen te vinden aanzienlijk.”