Rezonatory mechaniczne, narzędzia wibrujące z określoną częstotliwością, z biegiem czasu znacznie się rozwinęły. Rezonatory te, teraz zmniejszone do rozmiarów mikro i nano, osiągają wyższe częstotliwości i podwyższoną czułość.
Postęp ten doprowadził do znacznego zainteresowania fizyką kwantową, gdzie badacze badają potencjał rezonatorów do pomiaru niewielkich sił lub zmian masy. Wykorzystując stany kwantowe, naukowcy mają nadzieję jeszcze bardziej zwiększyć czułość rezonatora, otwierając drzwi do dokładniejszych pomiarów i ekscytujących możliwości w technologii kwantowej.
Rezonatory mechaniczne od stuleci są niezbędnymi narzędziami do różnych zastosowań, przede wszystkim ze względu na ich zdolność do wibrowania z określonymi częstotliwościami. Znanym przykładem jest kamerton, który po uderzeniu oscyluje ze swoją częstotliwością rezonansową, tworząc falę dźwiękową w zasięgu ludzkiego słuchu.
Dzięki postępowi w mikrofabrykacji naukowcom udało się zmniejszyć te rezonatory do mikro- i nanoskala rozmiary. W mniejszych skalach rezonatory wibrują ze znacznie wyższymi częstotliwościami i osiągają znacznie większą czułość niż ich większe odpowiedniki.
Postępy w mikrofabrykacji i potencjale kwantowym
„Te właściwości czynią je przydatnymi w precyzyjnych eksperymentach, na przykład do wykrywania maleńkich sił lub zmian masy. W ostatnim czasie dużym zainteresowaniem wśród fizyków kwantowych cieszą się rezonatory nanomechaniczne ze względu na ich potencjalne zastosowanie w technologiach kwantowych. Przykładowo wykorzystanie kwantowych stanów ruchu jeszcze bardziej poprawiłoby czułość rezonatorów nanomechanicznych” – mówi Witlef Wieczorek, profesor fizyki na UW. Politechnika Chalmers i kierownik projektu badania.
Powszechnym wymaganiem w tych zastosowaniach jest to, że rezonatory nanomechaniczne muszą utrzymywać oscylacje przez długi czas bez utraty energii. Zdolność tę określa się ilościowo za pomocą mechanicznego współczynnika jakości. Duży współczynnik jakości mechanicznej oznacza również, że rezonator wykazuje zwiększoną czułość i że kwantowe stany ruchu żyją dłużej. Właściwości te są bardzo poszukiwane w zastosowaniach związanych z wykrywaniem i technologią kwantową.
Wyzwania związane z azotkiem krzemu
Większość najskuteczniejszych rezonatorów nanomechanicznych jest wykonana z azotku krzemu poddanego rozciąganiu, materiału znanego z wyjątkowej jakości mechanicznej. Jednak azotek krzemu jest dość „nudny” pod innymi względami: nie przewodzi prądu, nie jest magnetyczny ani piezoelektryczny. To ograniczenie stanowi przeszkodę w zastosowaniach wymagających kontroli na miejscu lub połączenia rezonatorów nanomechanicznych z innymi systemami. Aby sprostać tym potrzebom, konieczne jest dodanie materiału funkcjonalnego na wierzch azotku krzemu. Jednakże dodatek ten ma tendencję do zmniejszania współczynnika jakości mechanicznej, co ogranicza wydajność rezonatora.
Przełom dzięki azotkowi glinu
Teraz naukowcy z Politechniki Chalmers i Uniwersytetu w Magdeburgu w Niemczech dokonali dużego postępu, demonstrując rezonator nanomechaniczny wykonany z azotku aluminium poddanego rozciąganiu – materiału piezoelektrycznego, który utrzymuje wysoki współczynnik jakości mechanicznej.
„Materiały piezoelektryczne przekształcają ruch mechaniczny w sygnały elektryczne i odwrotnie. Można go wykorzystać do bezpośredniego odczytu i sterowania rezonatorem nanomechanicznym w zastosowaniach czujnikowych. Można ją również wykorzystać do łączenia mechanicznych i elektrycznych stopni swobody, co jest istotne w przekazywaniu informacji, nawet do reżimu kwantowego”, mówi Anastasiia Ciers, specjalistka ds. badań w dziedzinie technologii kwantowej w Chalmers i główna autorka badania opublikowanego w czasopiśmie Zaawansowane materiały.
Czynnik wysokiej jakości i cele na przyszłość
Rezonator z azotku glinu osiągnął współczynnik jakości ponad 10 milionów.
„To sugeruje, że azotek glinu poddany rozciąganiu może stanowić nową, potężną platformę materiałową dla czujników kwantowych lub przetworników kwantowych” – mówi Witlef Wieczorek.
Naukowcy mają teraz dwa główne cele: jeszcze większą poprawę współczynnika jakości urządzeń oraz pracę nad realistycznymi projektami rezonatorów nanomechanicznych, które umożliwią im wykorzystanie piezoelektryczności do zastosowań w wykrywaniu kwantowym.
Odniesienie: „Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics” autorstwa Anastasiii Ciers, Alexandra Junga, Joachima Ciersa, Laurentiusa Radita Nindito, Hannesa Pfeifera, Armina Dadgara, André Strittmattera i Witlefa Wieczorka, 17 września 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202403155
Finansowanie: Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Center for Quantum Technology, Vetenskapsrådet, Marie Skłodowska-Curie Actions, Knut i Alice Wallenbergs Foundation Academy Fellow, projekt QuantERA CMonQSens!
