Прорыв в квантовом зондировании: новый наномеханический резонатор сочетает высокое качество и пьезоэлектричество

От камертонов до квантовых технологий

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Магдебургского университета в Германии разработали наномеханический резонатор, который сочетает в себе высокое механическое качество и пьезоэлектричество. Эта разработка может открыть новые возможности в технологиях квантового зондирования.

Механические резонаторы используются на протяжении веков для различных приложений, включая камертоны, которые колеблются на своей резонансной частоте, создавая звуковые волны. Благодаря достижениям в области микротехнологий, исследователи смогли уменьшить механические резонаторы до микро и нанометрового масштаба, что позволяет им колебаться на гораздо более высоких частотах и демонстрировать большую чувствительность по сравнению с их макроскопическими аналогами.

На изображении показана иллюстрация наномеханического резонатора треугольной формы, реализованного в пьезоэлектрическом материале. Центральная часть резонатора имеет форму треугольника, который движется вверх и вниз и в то же время действует как зеркало для отражения лазерного луча. Резонатор подвешен на тонких тросах, которые разветвлены для минимизации потерь механической энергии от движения треугольной формы. Источник: Chalmers University of Technology | Boid

«Эти свойства делают наномеханические резонаторы полезными в точных экспериментах, например, для обнаружения незначительных сил или изменений массы. В последнее время они вызывают значительный интерес среди квантовых физиков из-за их потенциального использования в квантовых технологиях», — говорит Витлеф Вичорек, профессор физики в Технологическом университете Чалмерса и руководитель проекта исследования.

Для приложений сенсорных и квантовых технологий необходим большой механический фактор качества, который подразумевает, что резонатор проявляет повышенную чувствительность и что квантовые состояния движения живут дольше. Большинство наиболее эффективных наномеханических резонаторов изготовлены из нитрида кремния, подвергнутого растяжению, материала, известного своими выдающимися механическими качествами. Однако нитрид кремния не является пьезоэлектрическим, что ограничивает его использование в приложениях, требующих управления на месте или сопряжения наномеханических резонаторов с другими системами.

Для решения этой проблемы исследователи добавили функциональный материал поверх нитрида кремния, но это обычно приводит к снижению механической добротности. В этом учёные и совершили большой скачок, продемонстрировав наномеханический резонатор из растянутого нитрида алюминия, — пьезоэлектрического материала, который сохраняет высокий механический коэффициент качества.

«Пьезоэлектрические материалы преобразуют механическое движение в электрические сигналы и наоборот. Это можно использовать для прямого считывания и управления наномеханическим резонатором в сенсорных приложениях. Его также можно использовать для сопряжения механических и электрических степеней свободы, что актуально при передаче информации, даже вплоть до квантового режима», — говорит Анастасия Сиерс, научный специалист по квантовым технологиям Чалмерса и ведущий автор исследования.

Резонатор из нитрида алюминия достиг коэффициента качества более 10 миллионов, что говорит о том, что растянутый нитрид алюминия может стать новой мощной платформой для квантовых датчиков или квантовых преобразователей. Теперь перед исследователями стоят две основные цели: ещё больше повысить добротность устройств и поработать над реалистичными конструкциями наномеханических резонаторов, которые позволят использовать пьезоэлектричество для приложений квантового зондирования.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.