Les résonateurs acoustiques en vrac – des structures matérielles empilées à l’intérieur desquelles les ondes acoustiques résonnent – peuvent être utilisés pour amplifier les sons ou filtrer les bruits indésirables. Ces résonateurs sont largement utilisés dans les télécommunications RF actuelles, comme les modules front-end (FEM) dans les iPhones. Ils pourraient également constituer des composants précieux pour diverses applications scientifiques de pointe, notamment les technologies quantiques et les dispositifs d’imagerie.
Malgré leur potentiel, mesurer avec précision l’énergie acoustique stockée à l’intérieur de ces appareils au fil du temps s’est jusqu’à présent révélé un défi. Cela limitait leur utilisation pour fabriquer des filtres et des dispositifs de traitement du signal fiables et hautement performants.
Des chercheurs de l’Université Harvard et de l’Université Purdue ont récemment décidé de relever ce défi existant dans ce domaine, en introduisant une stratégie permettant de contrôler et de lire les lacunes en silicium à l’intérieur d’un résonateur acoustique massif basé sur du carbure de silicium (SiC) 4H. La stratégie qu’ils proposent, décrite dans Électronique naturellepeut être utilisé pour régler les fréquences amplifiées ou absorbées par les défauts du SiC 4H avec des résonateurs acoustiques en vrac.
« Notre recherche a été motivée par l’étude de la dynamique mécanique d’un système classique avec un capteur quantique », a déclaré Jonathan R. Dietz, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Nos laboratoires avaient notamment déjà rassemblé des résonateurs capables de concentrer suffisamment d’énergie pour étudier cette interaction. »
L’étude récente de Dietz et de ses collègues s’appuie sur les travaux de recherche antérieurs des chercheurs. Dans leurs articles antérieurs, les chercheurs avaient introduit de nouveaux résonateurs acoustiques fabriqués à l’aide de SiC 4H, appelés résonateurs acoustiques de masse harmoniques latéraux (LOBAR). De plus, ils ont démontré leur potentiel, notamment en tant que résonateurs optiques à facteur de qualité (Q) élevé.
« Pour réaliser le contrôle acoustique de spin des lacunes de silicium, nous avons sélectionné un dispositif pour des résonances de haute qualité et mesuré le couplage spin-acoustique avec un microscope confocal ODMR », a expliqué Dietz. « Enfin, nous avons utilisé la résonance de spin mesurée pour cartographier avec précision les ondes acoustiques dans le dispositif LOBAR. »
Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont démontré le potentiel de la stratégie proposée pour le contrôle spin-acoustique des lacunes en silicium dans les dispositifs LOBAR à base de SiC 4H. Dietz et ses collègues ont effectué une analyse du spectre de fréquences lorsque le résonateur fonctionnait dans son mode Q élevé à l’aide d’une lecture optique. De plus, ils ont pu visualiser le mode de résonance du dispositif à l’aide d’outils d’imagerie 2D qui étudient l’interaction entre le résonateur et les défauts du matériau.
« Notre mesure est non invasive », a déclaré Boyang (Alex) Jiang, co-auteur de l’article. « De plus, puisque la fluorescence est uniquement liée à la souche à laquelle elle se couple, notre Q mesuré est le Q intrinsèque du SiC, sans qu’il soit nécessaire de le désintégrer dans la mesure RF. »
La nouvelle approche introduite par cette équipe de chercheurs pourrait être utilisée pour recueillir des mesures précises à l’intérieur des appareils LOBAR dans des conditions ambiantes et sans interférer avec leur fonctionnement. À l’avenir, il pourrait être utilisé pour caractériser les propriétés acoustiques de divers systèmes microélectromécaniques, tout en permettant également un meilleur contrôle des dispositifs de mémoire quantique basés sur les défauts de spin qui utilisent les vibrations acoustiques comme ressource quantique.
« Notre étude montre qu’un défaut courant et facilement mesurable du carbure de silicium est mécaniquement sensible et peut être contrôlé de manière robuste pour créer un capteur de contrainte non invasif », a déclaré Dietz. « Dans nos prochaines études, nous prévoyons de réaliser l’imagerie 3D de la déformation dans des dispositifs à base de SiC (carbure de silicium), comme l’IRM. Nous aimerions également utiliser le retour entre le résonateur et les spins pour contrôler les deux systèmes simultanément. »
Plus d’information:
Jonathan R. Dietz et al, Contrôle spin-acoustique des lacunes de silicium dans le carbure de silicium 4H, Électronique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41928-023-01029-4
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