De afbeelding toont een illustratie van een driehoekige nanomechanische resonator gerealiseerd in een piëzo-elektrisch materiaal. Het centrale deel van de resonator heeft de vorm van een driehoek die op en neer beweegt en tegelijkertijd als spiegel fungeert om een laserstraal te reflecteren. De resonator is opgehangen aan dunne kabels, die vertakt zijn om het verlies aan mechanische energie als gevolg van de beweging van de driehoeklijn te minimaliseren. Krediet: Chalmers Universiteit voor Technologie | Boid
Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden en de Universiteit van Maagdenburg in Duitsland hebben een nieuw type nanomechanische resonator ontwikkeld die twee belangrijke kenmerken combineert: hoge mechanische kwaliteit en piëzo-elektriciteit. Deze ontwikkeling zou deuren kunnen openen naar nieuwe mogelijkheden in kwantumsensortechnologieën.
Mechanische resonatoren worden al eeuwenlang voor een groot aantal toepassingen gebruikt. Een belangrijk aspect van deze apparaten is hun vermogen om op specifieke frequenties te trillen. Een bekend voorbeeld is de stemvork. Wanneer de stemvork wordt aangeslagen, oscilleert hij op zijn resonantiefrequentie, waardoor een geluidsgolf ontstaat die binnen ons gehoorbereik ligt.
Dankzij de vooruitgang in microfabricagetechnieken zijn onderzoekers erin geslaagd mechanische resonatoren te verkleinen tot op micro- en nanometerschaal. Bij deze kleine afmetingen oscilleren resonatoren op veel hogere frequenties en vertonen ze een grotere gevoeligheid vergeleken met hun macroscopische tegenhangers.
“Deze eigenschappen maken ze bruikbaar bij precisie-experimenten, bijvoorbeeld voor het waarnemen van minuscule krachten of massaveranderingen. Onlangs hebben nanomechanische resonatoren aanzienlijke belangstelling gewekt onder kwantumfysici vanwege hun potentiële gebruik in kwantumtechnologieën.
“Het gebruik van kwantumbewegingstoestanden zou bijvoorbeeld de gevoeligheid van nanomechanische resonatoren nog verder verbeteren”, zegt Witlef Wieczorek, hoogleraar natuurkunde aan de Chalmers University of Technology en projectleider van het onderzoek.
Een algemene vereiste voor deze toepassingen is dat nanomechanische resonatoren hun oscillatie lange tijd moeten volhouden zonder hun energie te verliezen. Dit vermogen wordt gekwantificeerd door de mechanische kwaliteitsfactor.
Een grote mechanische kwaliteitsfactor impliceert ook dat de resonator een verhoogde gevoeligheid vertoont en dat kwantumbewegingstoestanden langer leven. Deze eigenschappen zijn zeer gewild in toepassingen op het gebied van detectie en kwantumtechnologie.
De zoektocht naar een materiaal met een hoge kwaliteitsfactor en ingebouwde piëzo-elektriciteit
De meeste van de best presterende nanomechanische resonatoren zijn gemaakt van siliciumnitride onder trekbelasting, een materiaal dat bekend staat om zijn uitstekende mechanische kwaliteit. Siliciumnitride is echter in andere opzichten nogal “saai”: het geleidt geen elektriciteit en is ook niet magnetisch of piëzo-elektrisch. Deze beperking is een hindernis geweest bij toepassingen die in-situ controle of interface van nanomechanische resonatoren met andere systemen vereisen.
Om aan deze behoeften te voldoen, is het noodzakelijk om bovenop siliciumnitride een functioneel materiaal toe te voegen. Deze toevoeging heeft echter de neiging de mechanische kwaliteitsfactor te verminderen, wat de prestaties van de resonator beperkt.
Nu hebben onderzoekers van de Chalmers University of Technology en de Universiteit van Magdeburg, Duitsland, een grote sprong gemaakt toen ze een nanomechanische resonator demonstreerden die gemaakt was van onder trek belast aluminiumnitride, een piëzo-elektrisch materiaal dat een hoge mechanische kwaliteitsfactor behoudt. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.
“Piëzo-elektrische materialen zetten mechanische beweging om in elektrische signalen en omgekeerd. Dit kan worden gebruikt voor directe uitlezing en controle van de nanomechanische resonator in detectietoepassingen. Het kan ook worden gebruikt voor het koppelen van mechanische en elektrische vrijheidsgraden, wat relevant is bij de transductie van informatie, zelfs tot aan het kwantumregime”, zegt Anastasiia Ciers, onderzoeksspecialist in kwantumtechnologie bij Chalmers en hoofdauteur van het onderzoek.
De aluminiumnitride-resonator behaalde een kwaliteitsfactor van meer dan 10 miljoen. “Dit suggereert dat aluminiumnitride onder trekspanning een krachtig nieuw materiaalplatform zou kunnen zijn voor kwantumsensoren of kwantumtransducers”, zegt Witlef Wieczorek.
De onderzoekers hebben nu twee belangrijke doelen: de kwaliteitsfactor van de apparaten nog verder verbeteren, en werken aan realistische nanomechanische resonatorontwerpen waarmee ze piëzo-elektriciteit kunnen gebruiken voor kwantumdetectietoepassingen.
Meer informatie:
Anastasiia Ciers et al, Nanomechanische kristallijne AlN-resonatoren met hoge kwaliteitsfactoren voor kwantum-opto-elektromechanica, Geavanceerde materialen (2024). DOI: 10.1002/adma.202403155
Tijdschriftinformatie:
Geavanceerde materialen
Geleverd door Chalmers University of Technology
