Les modes vibrationnels des résonateurs nanomécaniques sont analogues aux différentes notes d’une corde de guitare et ont des propriétés similaires telles que la fréquence (hauteur) et la durée de vie. La durée de vie est caractérisée par le facteur de qualité, qui est le nombre de fois que le résonateur oscille jusqu’à ce que son énergie soit réduite de 70 %. Le facteur de qualité est crucial pour les applications modernes des résonateurs mécaniques car il détermine le niveau de bruit thermique, qui est une limite pour la détection des forces faibles et l’observation des effets quantiques.
Maintenant, des scientifiques de l’EPFL dirigés par le professeur Tobias J. Kippenberg montrent qu’un polygone régulier suspendu à ses sommets supporte des modes vibrationnels le long du périmètre avec des facteurs de qualité extrêmement élevés. Ceci est une conséquence de la symétrie géométrique des polygones réguliers, combinée aux propriétés élastiques des structures sous tension. Cette approche de l’ingénierie des pertes présente un avantage important par rapport aux techniques précédentes : la réalisation de facteurs de haute qualité dans des appareils avec des empreintes beaucoup plus petites.
« Les nouveaux modes périmétriques battent non seulement le record du facteur de qualité le plus élevé, mais sont presque 20 fois plus compacts que les appareils aux performances similaires », déclare Nils Engelsen, auteur principal de l’étude. « La compacité s’accompagne de réels avantages pratiques. Dans notre laboratoire, nous essayons de mesurer et de contrôler les vibrations mécaniques au niveau quantique à l’aide de la lumière, ce qui nécessite la suspension de résonateurs mécaniques à moins d’un micromètre d’une structure qui guide la lumière. Cette prouesse est beaucoup plus simple. avec des appareils compacts. »
La conception simple des résonateurs polygonaux permet aux auteurs d’aller plus loin et de créer une chaîne de résonateurs polygonaux connectés. Cette chaîne d’oscillateurs couplés peut se comporter très différemment d’un seul résonateur. Les auteurs étudient la dynamique particulière de cette chaîne, qui découle de la façon dont les résonateurs sont connectés.
La détection de force de précision est une application importante des résonateurs nanomécaniques. En mesurant les fluctuations de position d’un résonateur polygonal à l’aide d’un interféromètre optique, les auteurs démontrent que ces résonateurs peuvent mesurer des fluctuations de force aussi faibles que 1 attonewton. Ce niveau de sensibilité se rapproche de celui des microscopes à force atomique de pointe.
« Nous espérons que la sensibilité démontrée à la force des polygones combinée à leur compacité et leur simplicité inspireront leur utilisation dans des microscopes à force réelle », déclare Mohammad Bereyhi, qui a dirigé l’étude publiée dans Examen physique X.
« Jusqu’à présent, les améliorations des facteurs de qualité mécanique se sont faites au prix d’une taille et d’une complexité de conception accrues, rendant les appareils de pointe très difficiles à fabriquer. Avec les modes périmétriques, c’est une autre histoire. Je crois que la simplicité de cette nouvelle conception élargit considérablement son potentiel pour trouver de nouvelles applications prometteuses. »
Mohammad J. Bereyhi et al, Les modes de périmètre des résonateurs nanomécaniques présentent des facteurs de qualité supérieurs à 109 à température ambiante, Examen physique X (2022). DOI : 10.1103/PhysRevX.12.021036