Beobachtung mechanisch gebundener Zustände im Kontinuum in einem optomechanischen Mikroresonator

Mechanische Resonanzen mit hohem Q sind in vielen Anwendungen erwünscht. Die herkömmliche Weisheit beruht auf der Minimierung der Größe der Stützstruktur von mechanischen Resonatoren, was die hergestellte mechanische Vorrichtung zerbrechlich macht.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, haben Wissenschaftler in China mechanisch gebundene Zustände im Kontinuum experimentell ausgenutzt, um hohe Q-Faktoren aus robusten mechanischen Strukturen zu erreichen, was nicht nur die Schwierigkeiten bei der Geräteherstellung erheblich reduziert, sondern auch den Gerätebetrieb in vielseitigen Umgebungen für breitere Anwendungsbereiche ermöglicht.

Integrierte mikro- und nanomechanische Resonatoren, die eine sehr kleine Masse besitzen und stark an Licht und Materie gekoppelt werden können, haben in den letzten Jahren ein intensives Forschungsinteresse auf sich gezogen. Sie werden nicht nur für Anwendungen in der Präzisionsmesstechnik wie Massen- und Kraftmessung erforscht, sondern auch zur Untersuchung der makroskopischen Quantenphysik eingesetzt. Die Reduzierung der mechanischen Verlustleistung ist für viele dieser Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Zu diesem Zweck wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die mechanischen Moden durch die Verwendung periodischer Strukturen von der Umgebung abzuschirmen. Neben diesen periodischen nanomechanischen Vorrichtungen gibt es eine Klasse nichtperiodischer individueller Resonatoren (wie etwa scheiben- und ringförmige Resonatoren), bei denen die Bandlücken-Abschirmungsstrategie nicht angewendet werden kann. Die Reduzierung der mechanischen Dissipation in diesen Resonatoren ist wichtig, bleibt aber eine Herausforderung.

Gebundene Zustände im Kontinuum (BICs) sind eine Art von Eigenzuständen mit einer Dissipation nahe Null, obwohl ihre Eigenenergie im kontinuierlichen Spektrum verlustbehafteter Zustände liegt. BICs wurden in optischen Systemen genutzt, um ihre Dissipation zu reduzieren, was zu vielen Anwendungen wie Lasern mit niedriger Schwelle und effizienter Erzeugung der zweiten Harmonischen führte.

In Anbetracht des Erfolgs von BICs in optischen Systemen wird ins Auge gefasst, dass BICs in mikro- und nanomechanischen Systemen auch dazu genutzt werden können, ihre Verlustleistung zu reduzieren und ihre Leistung in verschiedenen Anwendungen zu verbessern. Die bestehenden Schemata zum Bau von BICs greifen jedoch auf periodische Strukturen zurück, die normalerweise einen großen Footprint (daher ein großes Modalvolumen) und eine große effektive Masse beinhalten, die in nanomechanischen Anwendungen unerwünscht sind. BICs in nichtperiodischen Einzelresonatoren, die eine engere modale Begrenzung und eine kleinere Masse haben können, bleiben experimentell noch schwer fassbar.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Xiankai Sun vom Department of Electronic Engineering der Chinese University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China, mechanische BICs in einem einzelnen optomechanischen Mikroresonator vorgeschlagen und experimentell beobachtet.

Sie führten eine Kopplung zwischen zwei mechanischen Moden im Mikroresonator ein, indem sie seine Azimutsymmetrie brachen, wodurch einer der Hybridmodi unter bestimmten Bedingungen zu einem BIC wurde, wie durch ihre experimentelle Demonstration bestätigt wurde.

Noch wichtiger ist, dass sie herausfanden, dass der verlustarme mechanische BIC für einen weiten Bereich der Breite der Stützstäbe von Hunderten von Nanometern bis zu mehreren Mikrometern existierte. Die hohe Toleranz gegenüber der Geometrie der Stützstruktur ist ein klarer Vorteil bei mikro-/nanoelektromechanischen Systemanwendungen (MEMS/NEMS).

Die Wissenschaftler erklärten: „Die herkömmliche Weisheit zur Verbesserung der Leistung von MEMS/NEMS-Bauteilen besteht darin, ihre Stützstruktur zu minimieren, um die Energiedissipation zu reduzieren, was andererseits die Schwierigkeiten bei der Geräteherstellung erhöht und ihre Anwendungsbereiche einschränkt.“

„Zum Beispiel können MEMS/NEMS-Geräte, die auf empfindlichen mechanischen Strukturen basieren, nicht wiederholt für fluidbasierte Anwendungen verwendet werden, da sie den Umgebungswechsel von einer Flüssigkeit zu einem Gas nicht überleben können. Unsere demonstrierten verlustarmen mechanischen BICs können mit einem großen erhalten werden und robuste Stützstruktur, die die Schwierigkeiten bei der Geräteherstellung erheblich reduziert und ihren Betrieb in vielseitigen Umgebungen für breitere Anwendungsbereiche ermöglicht.“

Die Wissenschaftler fügten hinzu: „Diese Arbeit demonstriert nicht nur das historische physikalische Konzept von ‚gebundenen Zuständen im Kontinuum‘ in einem neuen System, sondern kann auch zur Lösung eines herausfordernden Problems im Bereich mikro-/nanoelektromechanischer Systeme und zur Ermöglichung neuer Konstruktionen genutzt werden Anwendungen.“