Иерархические натяжные конструкции со сверхнизкими механическими потерями

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3097 (2022) Цитировать эту статью

2610 Доступов

8 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Структурная иерархия встречается во множестве биологических систем и привела к улучшению искусственных структур — от Эйфелевой башни до оптических полостей. В механических резонаторах, жесткость которых обеспечивается статическим напряжением, структурная иерархия позволяет снизить диссипацию основной моды до сверхнизких уровней за счет нетрадиционной формы мягкого зажима. Здесь мы применяем иерархический дизайн к наномеханическим резонаторам из нитрида кремния и реализуем бинарные древовидные резонаторы с добротностью при комнатной температуре до 7,8 × 108 на частоте 107 кГц (1,1 × 109 при T = 6 К). Силовая чувствительность резонаторов, ограниченная тепловым шумом, достигает 740 zN/Гц1/2 при комнатной температуре и 90 zN/Гц1/2 при 6 К, что превосходит современные кантилеверы, используемые в настоящее время для силовой микроскопии. Кроме того, мы демонстрируем иерархически структурированные мембраны со сверхнизкой диссипацией, подходящие для интерферометрических измерений положения в полостях Фабри-Перо. Иерархические наномеханические резонаторы открывают новые возможности в области измерения силы, передачи сигналов и квантовой оптомеханики, где низкое рассеивание имеет первостепенное значение, а работа с основной модой часто бывает выгодной.

Структурная иерархия увеличивает механическую жесткость костей животных1 и искусственных сетевых материалов2, уменьшает вес несущих структур3, обеспечивает эффективную доставку воздуха к альвеолам в легких4 и жидкости в сосудистых системах5, ограничивает оптическое поле на глубоко субволновом уровне6, и предоставляет уникальные возможности для снижения механической диссипации в напряженных материалах7. Когда структурная иерархия сопровождается самоподобием в разных масштабах, это приводит к появлению фрактальных особенностей. Самоподобные механические резонаторы могут иметь плотности акустических мод, соответствующие нецелочисленной размерности8, аналогичные спектрам природных соединений с масштабной инвариантностью, таких как белки9, аэрогели кремнезема и стекла8.

Напряженные механические резонаторы могут иметь сверхнизкую диссипацию благодаря эффекту разбавления диссипации10,11, при котором собственное трение материала ослабляется за счет растяжения. Это явление было впервые исследовано в зеркальных подвесках детекторов гравитационных волн10 и за последнее десятилетие использовалось для уменьшения диссипации на наноуровне12,13. На разбавление рассеяния сильно влияет геометрия резонатора, которая предлагает практический способ снижения механических потерь. Существенные улучшения были достигнуты за счет мягкого зажима на основе фононных кристаллов14 и технологии упругой деформации15, что позволило аморфным наномеханическим устройствам близко приблизиться к добротности (~ 109) макроскопических генераторов с наименьшей диссипацией, таких как монокристаллические кварцевые и сапфировые объемные резонаторы16, 17. Однако эти методы применимы только к модам высокого порядка (от ~10 до 100) струн и мембран, что накладывает экспериментальные ограничения в квантовой оптомеханике, такие как интермодуляционный шум18,19 и нестабильность механических мод более низкого порядка20. Кроме того, разработка фононной запрещенной зоны непрактична на низких частотах из-за требуемых больших размеров устройства (десятки миллиметров для диапазона 100 кГц). Современные работы, такие как периметрические моды21 и резонаторы «паутина»22, продемонстрировали низкую диссипацию на низких частотах, но не для основной моды структуры.

Здесь мы используем структурную иерархию, чтобы реализовать нетрадиционную форму мягкого ограничения основной моды7. Эти резонаторы являются прекрасными датчиками силы благодаря своим низким потерям, малой массе и низкой резонансной частоте (в данной работе от 50 кГц до 1 МГц). Колебательные возбуждения наших резонаторов претерпевают очень медленную термическую декогерентность из-за их высокой добротности (до Q = 7,8 × 108). При комнатной температуре скорость термической декогеренции Γd = kBT/ħQ23 (kB — постоянная Больцмана, ħ — приведенная постоянная Планка и T — температура) наших лучших устройств ниже 10 кГц, что сравнимо со скоростью декогеренции диэлектрических наночастиц. в ловушке лазерного луча24. Эти свойства делают иерархические резонаторы хорошо подходящими для сенсорных приложений25,26 и множества квантово-оптомеханических экспериментов, таких как охлаждение основного состояния20,23, микроволново-оптическое преобразование фотонов27 и сжатие оптического поля28.