Akustische Massenresonatoren – gestapelte Materialstrukturen, in denen akustische Wellen mitschwingen – können verwendet werden, um Geräusche zu verstärken oder unerwünschte Geräusche herauszufiltern. Diese Resonatoren finden in der heutigen HF-Telekommunikation breite Anwendung, beispielsweise als Front-End-Module (FEM) in iPhones. Sie könnten auch wertvolle Komponenten für verschiedene hochmoderne wissenschaftliche Anwendungen sein, einschließlich Quantentechnologien und Bildgebungsgeräten.
Trotz ihres Potenzials hat sich die genaue Messung der in diesen Geräten über einen längeren Zeitraum gespeicherten akustischen Energie bisher als Herausforderung erwiesen. Dies schränkte ihre Verwendung zur Herstellung zuverlässiger und leistungsstarker Filter und Signalverarbeitungsgeräte ein.
Forscher der Harvard University und der Purdue University haben sich kürzlich daran gemacht, diese bestehende Herausforderung auf diesem Gebiet anzugehen, indem sie eine Strategie zur Kontrolle und Auslesung von Silizium-Leerstellen in einem massiven akustischen Resonator auf Basis von 4H-Siliziumkarbid (SiC) eingeführt haben. Ihre vorgeschlagene Strategie, beschrieben in Naturelektronikkönnen verwendet werden, um die durch Defekte in 4H SiC verstärkten oder absorbierten Frequenzen mit akustischen Massenresonatoren abzustimmen.
„Unsere Forschung wurde durch die Untersuchung der mechanischen Dynamik eines klassischen Systems mit einem Quantensensor motiviert“, sagte Jonathan R. Dietz, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Bemerkenswert ist, dass unsere Labore bereits Resonatoren gesammelt hatten, die genug Energie konzentrieren konnten, um diese Wechselwirkung zu untersuchen.“
Die aktuelle Studie von Dietz und seinen Kollegen baut auf den bisherigen Forschungsarbeiten der Forscher auf. In ihren früheren Arbeiten hatten die Forscher neue akustische Resonatoren vorgestellt, die aus 4H-SiC hergestellt wurden, sogenannte laterale Oberton-Massenakustikresonatoren (LOBARs). Darüber hinaus stellten sie ihr Potenzial unter Beweis, insbesondere als optische Resonatoren mit hohem Qualitätsfaktor (Q).
„Um die spinakustische Kontrolle der Silizium-Leerstellen zu erreichen, haben wir ein Gerät für hochwertige Resonanzen ausgewählt und die spinakustische Kopplung mit einem konfokalen ODMR-Mikroskop gemessen“, erklärte Dietz. „Schließlich nutzten wir die gemessene Spinresonanz, um die akustischen Wellen im LOBAR-Gerät präzise abzubilden.“
Im Rahmen ihrer Studie demonstrierten die Forscher das Potenzial ihrer vorgeschlagenen Strategie für die spinakustische Kontrolle von Silizium-Leerstellen in 4H-SiC-basierten LOBAR-Geräten. Dietz und seine Kollegen führten mithilfe einer optischen Auslesung eine Frequenzspektrumanalyse durch, während der Resonator in seinem Modus mit hoher Güte arbeitete. Darüber hinaus konnten sie mithilfe von 2D-Bildgebungstools, die die Wechselwirkung zwischen dem Resonator und Defekten im Material untersuchen, eine Visualisierung des Resonanzmodus des Geräts erstellen.
„Unsere Messung ist nicht-invasiv“, sagte Boyang (Alex) Jiang, Mitautor der Studie. „Da die Fluoreszenz außerdem nur mit der Spannung zusammenhängt, an die sie koppelt, ist unser gemessener Q der intrinsische Q des SiC, ohne dass eine Entfernung der Einbettung bei der HF-Messung erforderlich ist.“
Der von diesem Forscherteam eingeführte neue Ansatz könnte verwendet werden, um präzise Messungen in LOBAR-Geräten bei Umgebungsbedingungen und ohne Beeinträchtigung ihres Betriebs zu erfassen. Zukünftig könnte es zur Charakterisierung der akustischen Eigenschaften verschiedener mikroelektromechanischer Systeme eingesetzt werden und gleichzeitig eine bessere Kontrolle über Quantenspeichergeräte basierend auf Spindefekten ermöglichen, die akustische Schwingungen als Quantenressource nutzen.
„Unsere Studie zeigt, dass ein häufiger, leicht messbarer Defekt in Siliziumkarbid mechanisch empfindlich ist und robust kontrolliert werden kann, um einen nicht-invasiven Dehnungssensor herzustellen“, sagte Dietz. „In unseren nächsten Studien planen wir, die 3D-Bildgebung der Dehnung in Geräten auf SiC-Basis (Siliziumkarbid) wie der MRT zu realisieren. Außerdem möchten wir die Rückkopplung zwischen Resonator und Spins nutzen, um beide Systeme gleichzeitig zu steuern.“
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Jonathan R. Dietz et al., Spinakustische Kontrolle von Silizium-Leerstellen in 4H-Siliziumkarbid, Naturelektronik (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01029-4
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