Hulmønster øger kohærensen mellem nanomekaniske membran vibrationer
Forskere fra Niels Bohr Institutet har udviklet en ny type nanomekaniske resonatorer, hvor et mønster af huller lokaliserer vibrationer i en 30 nanometer membran. Mønsteret undertrykker koblingen til tilfældige variationer i omgivelserne, og fremmer vibrationernes kohærens. Forskernes kvantemekaniske indsigt og deres numeriske modeller giver grundtegningen til ultrakohærente nanomekaniske anordninger. Det kan for eksempel lede til en ny generation af kvantemekaniske sensorer, og mere sensitiv kraft mikroskopi. Resultaterne er publiceret i det ansete videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology.
Mikro- og nanomekaniske anordninger findes overalt i videnskab og teknologi. De får ure til at tikke, smartphones og biler til a måle acceleration, og de er helt grundlæggende elementer bag Atomare kraftmikroskoper(AFM) og den tilhørende teknologi. Disse anordninger er nu også blevet interessante for kvantevidenskaben. Forsøg med de mest følsomme mekaniske sensorer har senest åbnet døren for udforskning af grundlæggende kvantemekaniske begrænsninger i at måle kræfter, og at teste årtier gamle forudsigelser om tyngdebølger. Man forudsiger også at kvantedesignede mekaniske anordninger vil spille en stor rolle i kvantekommunikation og kvantecomputerteknologi, for eksempel i form af hukommelse og interface elementer.
Figur 1. Silicium nitrid membran i en millimeter stor firkantet silicium ramme. Det hule mønster i membranen har et fononisk båndgab, der begrænser vibrationerne ved bestemte frekvenser i midten.
En vigtig egenskab for mekaniske anordninger i disse anvendelsesområder er deres kohærens: helt grundlæggende er kohærens et må for, hvor meget (eller helst lidt) bevægelsesdynamikken er forstyrret af tilfældige fluktuationer i omgivelserne. For en mekanisk resonator der oscillerer med frekvensen f, så viser en høj kvalitetsfaktor Q høj kohærens (per definition er Q/(2*pi*f) energilagringstiden af resonatoren). Samtidig er det fordelagtigt, hvis den mekaniske resonator har en lille masse, da mindre kræfter har en langt større indflydelse på sensorens bevægelse. Tidligere forskning har nemlig vist, at lav masse oftest indebærer lav Q og omvendt.
Opdater lærebøgerne
Nu har forskere under ledelse af Albert Schliesser, der er Professor ved Niels Bohr Institutet, fundet en ny slags nanomekaniske resonatorer der trodser denne heuristiske regel. Den er baseret på en silicium nitrid membran, der er strukket ud over en silicium ramme, som et trommeskind. De tværgående dimensioner er i millimeter, og den er kun få tiere af nanometer tyk (Fig 1). Den er kendetegnet ved et mønster af huller i membranen. Mønsterets periodicitet skaber et båndgab, altså et frekvensområde, hvor elastiske bølger ikke kan udbredes. Dette gør det muligt at begrænse svingninger, der har en frekvens inden for dette frekvensområde, til en central ø uden huller, kaldet defekten (Fig 2). Givet defektens lille størrelse, er den svingende masse på ganske få nanogram.
Figur 2. Billeder af eksperimentelle målinger af vibrationer med fem forskellige tilstande af defekten (gul: stor udbredelse, blå: lille udbredelse, sort: hul). Vibrationsfrekvenserne er mellem 1,46 og ,64 Mhz, og der er 160 µm mellem hullerne.
Afgørende, mønsteret af huller øger Q faktoren på to måder, forklarer Albert Schliesser: ’På den ene side forhindrer den tab af vibrationsenergi fra elastiske bølger der bevæger sig væk. Dette var kendt i forvejen. Men på den anden side, så kan det hullede område stadig udføre en stille bevægelse, og på den måde udgøre en blød overgang mellem den vibrerende defekt og den statiske ramme’. Denne nye bløde ophængning udgør en ny type grænsebetingelse til de mekaniske elementer, som er forskellig fra "glidende", "hæftede", "fastspændte" og "frie", der er kendt fra lærebøgerne i mekanisk fysik. Og det er lige præcis den bløde fastspænding, der øger Q faktoren.
De opnåede kvalitetsfaktorer (Q) på mere end 200 millioner er aldrig set før i resonatorer med megahertz frekvenser. Det mest bemærkelsesværdige er at resultaterne er opnået ved stuetemperatur. Den almene viden siger at resonatorer lavet af vidt udbredte materialer så som kvarts, silicium, eller diamant ikke kan opnå så høj virkning med mindre de er nedkølet kryogenisk. ”Men med den rette fremstillingsmåde, så kan alle resonatorer virke med kan vores metode i princippet bruges på resonatorer af vilkårlige materialer, og dermed øge Q værdierne", siger PhD studerende Yeghishe Tsaturyan, som designede membraner og derefter fremstillede dem i Danchips renrumsfacilitet.
En ny generation af kvantesensorer
“Dette gør denne forskning særdeles brugbar”, tilføjer Albert Schliesser, ”med vores model og numeriske simulationer har vi nu en deterministisk, samt alsidig, fremgangsmåde til at designe og fremstille ekstremt kohærente resonatorer. Førhenne var dette nærmere en "mørk kunst". Nu kan man tage det og tilpasse det til sine behov”.
Denne rekordhøje kohærens i sensorerne er allerede interessant for en lang række applikationer. Særligt indenfor optomekanik er der interesse for denne 100-foldige forbedring i kohærens, i modsætning til tidligere membran resonatorer. Det forventes, at kræfter forbundet med kvantemekaniske fluktuationer bliver yderst fremtrædende, hvilket vil muliggøre studier af disse kvantefluktuationer i komplekse sammenhænge og eventuelt ved stuetemperatur. Dette vil ydermere muliggøre nye undersøgelser af kvantegrænser for målinger af kræfter og bevægelser, der er yderst relevante koncepter, ikke mindst indenfor design af gravitationelle bølgedetektorer.
En anden mulighed for anvendelse af disse membraner er indenfor magnetisk resonans (MR) kraft mikroskopi. Ligesom AFM benytter disse instrumenter sig af kraftmålinger, og opnår ekstrem rumlig opløsning på nanoskala. Til forskel fra AFM, afbilder MRFM de magnetiske egenskaber af prøven, sammenlignelig med MR-skannere, der er kendt fra klinisk brug. Når teknologien opnår sit fulde potentiale, kan MRFM lave kemisk selektive 3D billeder af for eksempel en virus med molekylær opløsning. Dette vil lede til nye indsigter indenfor struktur og funktion af biologiske systemer på det molekylære niveau. De hullede resonatorer udviklet på Niels Bohr Institutet kan bidrage til at nå dette mål.