Die Schwingungsmoden nanomechanischer Resonatoren sind analog zu verschiedenen Tönen einer Gitarrensaite und haben ähnliche Eigenschaften wie Frequenz (Tonhöhe) und Lebensdauer. Die Lebensdauer wird durch den Qualitätsfaktor charakterisiert, der die Anzahl der Schwingungen des Resonators ist, bis seine Energie um 70 % reduziert ist. Der Qualitätsfaktor ist entscheidend für die modernen Anwendungen mechanischer Resonatoren, da er den Pegel des thermischen Rauschens bestimmt, das eine Grenze für die Erfassung schwacher Kräfte und die Beobachtung von Quanteneffekten darstellt.
Nun zeigen Wissenschaftler der EPFL unter der Leitung von Professor Tobias J. Kippenberg, dass ein regelmäßiges Polygon, das an seinen Ecken aufgehängt ist, Schwingungsmoden entlang des Umfangs mit extrem hohen Qualitätsfaktoren unterstützt. Dies ist eine Folge der geometrischen Symmetrie regelmäßiger Polygone, kombiniert mit den elastischen Eigenschaften von Strukturen unter Spannung. Dieser Ansatz zum Loss Engineering hat einen wichtigen Vorteil gegenüber früheren Techniken: die Realisierung hoher Qualitätsfaktoren in Geräten mit viel kleinerem Footprint.
„Die neuen Perimeter-Modi brechen nicht nur den Rekord für den höchsten Qualitätsfaktor, sondern sind fast 20-mal kompakter als Geräte mit ähnlicher Leistung“, sagt Studienleiter Nils Engelsen. „Die Kompaktheit hat echte praktische Vorteile. In unserem Labor versuchen wir, mechanische Schwingungen auf Quantenebene mit Licht zu messen und zu kontrollieren, was eine Aufhängung mechanischer Resonatoren weniger als einen Mikrometer von einer lichtleitenden Struktur erfordert. Dieses Kunststück ist viel einfacher mit kompakten Geräten.“
Das unkomplizierte Design der Polygonresonatoren ermöglicht es den Autoren, einen Schritt weiter zu gehen und eine Kette von verbundenen Polygonresonatoren zu erstellen. Diese Kette gekoppelter Oszillatoren kann sich auffallend anders verhalten als ein einzelner Resonator. Die Autoren untersuchen die besondere Dynamik dieser Kette, die sich aus der Art und Weise ergibt, wie die Resonatoren verbunden sind.
Präzisionskraftmessung ist eine wichtige Anwendung von nanomechanischen Resonatoren. Durch Messung der Positionsschwankungen eines Polygonresonators mit einem optischen Interferometer zeigen die Autoren, dass diese Resonatoren Kraftschwankungen von nur 1 Attonewton messen können. Dieses Empfindlichkeitsniveau nähert sich dem von modernen Rasterkraftmikroskopen.
„Wir hoffen, dass die nachgewiesene Kraftempfindlichkeit der Polygone in Kombination mit ihrer Kompaktheit und Einfachheit ihre Verwendung in tatsächlichen Kraftmikroskopen inspirieren wird“, sagt Mohammad Bereyhi, der die in veröffentlichte Studie leitete Körperliche Überprüfung X.
„Bisher sind Verbesserungen der mechanischen Qualitätsfaktoren auf Kosten von größerer Größe und erhöhter Designkomplexität gegangen, was die Herstellung hochmoderner Geräte sehr schwierig macht. Bei Perimetermodi ist das eine andere Geschichte. Ich glaube, dass die Einfachheit von Dieses neue Design erweitert sein Potenzial, neue und vielversprechende Anwendungen zu finden, erheblich.“
Mohammad J. Bereyhi et al, Perimeter Modes of Nanomechanical Resonators weisen Qualitätsfaktoren von über 109 bei Raumtemperatur auf, Körperliche Überprüfung X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021036