Микро- и наномеханические устройства повсеместно используются в науке и технологиях: они заставляют часы тикать, позволяют смартфонам и автомобилям определять ускорение и обеспечивают основной элемент, на который полагаются атомные силовые микроскопы (АСМ) и их сложные производные. В последнее время такие устройства также стали предметом пристального внимания квантовой науки. Эксперименты с самыми передовыми механическими датчиками теперь исследуют фундаментальные квантовые пределы измерения сил, проверяя актуальные прогнозы десятилетней давности, сделанные сообществом специалистов по обнаружению гравитационных волн. Квантовые механические устройства также готовы сыграть роль в квантовых коммуникационных и вычислительных технологиях, например, в качестве элементов памяти или интерфейса.
Важнейшей характеристикой механических устройств в этих приложениях является их согласованность: она по существу определяет, насколько (или предпочтительно, мало) динамика движения нарушается случайными колебаниями в окружающей среде. Для механического резонатора, колеблющегося на частоте f, высокая добротность Q указывает на высокую когерентность (по определению Q / 2pf – время накопления энергии резонатора). В то же время для измерения сил используется небольшая движущаяся масса m. Тогда меньшие силы оказывают более значительное влияние на движение датчика.
К сожалению, эти требования могут быть противоречивыми: прошлые исследования показали, что низкая масса m часто влечет за собой низкое Q и наоборот.
Обновите учебники
Теперь исследователи под руководством Альберта Шлиссера, профессора Института Нильса Бора, представили новый вид наномеханического резонатора, который бросает вызов этому эвристическому правилу. Он основан на мембране из нитрида кремния, натянутой на силиконовый каркас, как барабан тимпано.
Однако его поперечные размеры составляют всего миллиметр, а толщина – всего несколько десятков нанометров. Его отличительной особенностью является узор из отверстий, протравленных через мембрану. Периодичность рисунка приводит к фононной запрещенной зоне, то есть частотному диапазону, в котором упругие волны не могут распространяться.
Это позволяет ограничить колебания, частота которых попадает в этот диапазон, центральным островком без отверстий, который называется дефектом. Учитывая небольшие размеры дефекта, вибрирующая масса составляет всего несколько нанограмм.
Важно отметить, что рисунок отверстий также увеличивает добротность колебаний дефекта двумя взаимодополняющими способами, как объясняет Альберт Шлиссер: «С одной стороны, он предотвращает потерю энергии колебаний за счет распространения упругих волн – это было хорошо известно. С другой стороны, дырчатая часть мембраны все еще может плавно перемещаться и, таким образом, обеспечивать мягкий переход между вибрирующим дефектом и обязательно статической рамой устройства.«Такой мягкий зажим представляет собой новый тип граничного условия для механически податливого элемента, в отличие от различных форм -« скользящих »,« штифтовых »,« зажатых »и« свободных », известных в учебниках машиностроения.
И именно этот мягкий зажим значительно увеличивает добротность за счет эффекта, называемого диссипативным разбавлением. Действительно, достигнутые показатели качества более 200 миллионов являются беспрецедентными для резонаторов на мегагерцовых частотах. Наиболее примечательно то, что эти цифры достигаются при комнатной температуре. Принято считать, что резонаторы, сделанные из любого из широко используемых материалов, таких как кварц, кремний или алмаз, не могут достичь таких высоких значений частоты и добротности, если они не охлаждаются криогенным способом. «Тем не менее, при правильном процессе изготовления наш подход в принципе может быть применен к резонаторам из любого материала и тем самым повысить добротность», – говорит аспирант Егише Цатурян, который создавал устройства на предприятии по нанотехнологии Danchip.
Новое поколение квантовых датчиков
«Это делает это исследование особенно полезным, – добавляет Альберт Шлиссер, – с помощью нашей модели и численного моделирования у нас теперь есть детерминированный, но универсальный подход к проектированию и созданию чрезвычайно когерентных резонаторов. Раньше это было скорее темное искусство. Теперь вы можете адаптировать его под свои нужды."
Но рекордно высокая когерентность устройств, созданных в настоящей работе, уже привлекательна для ряда приложений. В частности, эксперименты в квантовой оптомеханике значительно выиграют от почти 100-кратного повышения когерентности по сравнению с мембранными резонаторами первого поколения. Ожидается, что силы, связанные с квантовыми флуктуациями вакуума, будут чрезвычайно заметными, что позволит детально изучить их эффекты также в сложных условиях и, в конечном итоге, при комнатной температуре.
Это позволит провести новые исследования квантовых пределов измерений силы и смещения, концепции, весьма актуальные не в последнюю очередь для разработки детекторов гравитационных волн.
Еще одно интересное направление – использование мембран в магнитно-резонансных силовых микроскопах (MRFM). Подобно AFM, эти инструменты основаны на измерении силы и достигают экстремального пространственного разрешения в нанометровом масштабе.
В отличие от АСМ, MRFM отображает магнитные свойства образца, сравнимые с известными из клинического использования сканерами МРТ. В полной мере MRFM обещает не что иное, как химически селективные 3d-изображения, например, вируса с молекулярным разрешением. Это позволит по-новому взглянуть на структуру и функции биологических систем на молекулярном уровне.
Дырчатые резонаторы, представленные в Институте Нильса Бора, могут помочь в достижении этой цели.