Nanomekaniska resonatorer av hög kvalitet med inbyggd piezoelektricitet

Mekaniska resonatorer har använts i århundraden för en mängd applikationer. En viktig egenskap hos dessa enheter är deras förmåga att vibrera vid specifika frekvenser. Här är stämgaffeln ett välkänt exempel. När en stämgaffel träffas svänger den i sin resonansfrekvens och skapar en ljudvåg som det mänskliga örat kan uppfatta. Genom framsteg inom mikrotillverkningstekniker har forskare kunnat krympa mekaniska resonatorer ner till mikro- och nanometerskala. I dessa pyttesmå storlekar svänger resonatorer vid mycket högre frekvenser och uppvisar en större känslighet jämfört med sina makroskopiska, alltså större, motsvarigheter.

– Dessa egenskaper gör dem användbara i precisionsexperiment, till exempel för att känna av små krafter eller förändringar i massa. På senare tid har nanomekaniska resonatorer väckt stort intresse bland kvantfysiker på grund av deras potential inom kvantteknologier. Till exempel skulle användningen av kvantrörelsetillstånd förbättra känsligheten hos nanomekaniska resonatorer ytterligare, säger Witlef Wieczorek, professor i fysik vid Chalmers och projektledare för studien.

För att kunna användas inom kvantteknologier behöver de nanomekaniska resonatorerna kunna bibehålla sina svängningar under lång tid utan att tappa i energi. Den här förmågan kvantifieras av den mekaniska kvalitetsfaktorn. En stor mekanisk kvalitetsfaktor innebär också att resonatorn uppvisar en ökad känslighet och att kvanttillstånd av rörelse lever längre. Dessa egenskaper är mycket eftertraktade inom avkännings- och kvantteknologiapplikationer.

Jakten på ett material med hög kvalitetsfaktor och inbyggd piezoelektricitet

De flesta av de bäst presterande nanomekaniska resonatorerna är gjorda av hållfast kiselnitrid, ett material känt för sin enastående mekaniska kvalitet. Men kiselnitrid är ganska "tråkigt" i andra aspekter: det leder inte elektricitet, det är inte heller magnetiskt eller piezoelektriskt. Dessa begränsningar har utgjort ett hinder i applikationer som kräver in-situ kontroll eller gränssnitt mellan nanomekaniska resonatorer och andra system. För att möta dessa behov behöver man addera ett funktionellt material ovanpå kiselnitriden. Tillägget tenderar dock att minska den mekaniska kvalitetsfaktorn, vilket begränsar resonatorns prestanda.

Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola och vid universitetet i Magdeburg, Tyskland, tagit ett viktigt steg när de har lyckats demonstrera en nanomekanisk resonator gjord av dragspänd aluminiumnitrid, ett piezoelektriskt material med hög mekanisk kvalitetsfaktor.

– Piezoelektriska material omvandlar mekanisk rörelse till elektriska signaler och vice versa. Detta kan användas för direkt avläsning och styrning av den nanomekaniska resonatorn i avkänningsapplikationer. Det kan också användas för att koppla ihop mekaniska och elektriska frihetsgrader, vilket är relevant vid överföring av information, även ner till kvantregimen, säger Anastasiia Ciers, forskningsspecialist i kvantteknologi vid Chalmers och huvudförfattare till studien publicerad i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials.

Forskarnas resonator av aluminium-nitrid har uppnått en kvalitetsfaktor på mer än 10 miljoner.

– Detta tyder på att dragspänd aluminiumnitrid kan vara en ny kraftfull materialplattform för kvantsensorer eller kvantomvandlare, säger Witlef Wieczorek.

Nästa steg för forskarna är nu dels att förbättra kvalitetsfaktorn för enheterna ytterligare, och dels att ta fram passande designer för nanomekaniska resonatorer som gör det möjligt att använda piezoelektriciteten för kvantavkänningsapplikationer. 

Mer information:
Läs den vetenskaplia artikeln Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics publicerad i tidskriften Advanced Materials.