Ickelinjäriteter, dissipation och brus i grafenresonatorer

Startdatum 2012-12-01
Slutdatum Projektet är avslutat: 2015-12-31

Sedan ett par år tillbaka är forskning på materialet grafen ett av de hetaste ämnena inom tillämpad fysik och materialvetenskap. Detta beror till stor del på materialets unika elektroniska egenskaper där ledningselektronerna beter sig på ett sätt som bäst beskrivs med relativistisk kvantmekanik.

Mindre uppmärksammat, men lika anmärkningsvärt är de mekaniska egenskaperna hos grafen. Trots att det bara är ett atomlager tjockt, är det extremt starkt och svårt att töja. Däremot kan det töjas upp till 15% innan det går sönder. Kombinationen liten massa och hög styrka gör materialet unikt för tillämpningar inom nanoelektromekaniken. Inom detta forskningsområde, som är på stark frammarsch, studeras samspelet mellan mekanik och elektronik på nano-nivå. Forskningsområdet innefattar potentiella tekniktillämpningar såsom radiokomponenter för mobiltelefoni och ultrakänsliga detektorer för nano-partiklar.

På senare år, också studier av kvantmekanik hos "makroskopiska system". Det senare området är ett grundforskningsområde som bla inriktar sig på frågan rörande gränsen mellan den verklighet vi uppfattar och den som beskrivs av kvantmekaniken. Studiet av nanoelektromekaniska system har pågått under ett flertal år, och för de system som bygger på en nedskalning av de idag kommersiell mikromekaniska systemen, är mycket av fysiken känd.

För mekaniska resonatorer gjorda av grafen finns det i dagsläget dock ett flertal frågetecken att räta ut. Till viss del beror detta på att grafen endast är ett atomlager tjockt och att geometrin hos membranet kopplar till de elektroniska egenskaperna. Ett exempel på det senare är att när man töjer eller böjer grafen, vilket sker i mekaniska grafenresonatorer, skapas syntetiska elektromagnetiska fält för ledningselektronerna. Dessutom gör det faktum att grafen bara är ett atomlager tjockt att ickelinjära egenskaper och känsligheten för fysikaliska fenomen nano-nivå ser annorlunda ut än för andra nanoelektromekaniska system.

I dagsläget finns det experimentella resultat för grafenresonatorer vilka saknar förklaring i den mån att de underliggande fysikaliska processer som ligger till grund för dem inte är kända.

En egenskap som gör grafenmembran unika inom NEMS är deras starka ickelinjära beteende. Detta beteende gör att tex egenfrekvensen hos svängningar ändras med amplituden och att svängningar med olika frekvens påverkar varandras resonansfrekvenser. Till skillnad från andra system som studerats inom tex kvant-nanoelektromekaniken, kan detta ickelinjära beteende manifesteras hos ett grafenmembran nära sitt kvanmekaniska grundtillstånd, dvs för extremt små amplituder. För att studera kvantmekaniska egenskaper är ickelinjärt beteende av stor vikt. Detta då en linjär resonator beter sig semiklassiskt då den utsätts för externa krafter. I ickelinjära system däremot, kan de tillstånd som erhålls skilja sig markant från dem som är möjliga klassiskt. Detta innebär att grafen möjligör studier av ickeklassiska mekaniska system.

Området har stark anknytning till bla kvantoptik. Vibrationsmoderna i ett mekanisk system har här en direkt analogi i vibrationsmoderna hos de mekaniska systemen. En viktig skillnad är att då det är svårt att få fotoner att växelverka med varandra, gör ickelinjäriteten i grafenresonatorer att olika moder kan växelverka starkt. Denna växelverkan kan även styras elektriskt med hjälp av att membranets form ändras av pålagda fält. För såväl tillämpad som fundamental forskning måste brus och dissipation vara under kontroll. Kombinationen två-dimensionalitet och starka ickelinjäriteter gör att dissipation och brus i grafenresonatorer också skiljer sig från vad som observerats i andra system.

Det finns i dagsläget ett fåtal studier som rör den mekaniska dämpningen hos grafenresonatorer. I samtliga uppvisar grafenresonatorer beteenden som skiljer sig drastiskt från det man sett tidigare i andra mekaniska system. Eftersom brus är direkt förknippat med dämpning kan man vänta sig stora skillnader även här.

För grafenresonatorer saknas idag förklaringsmodeller i termer av de underliggande fysikaliska processer på "nano-nivå" som ger upphov till brus och dämpning.

Syfte
​Detta projekt är till stor del ägnat att söka förstå de underliggande mikroskopiska fysikaliska mekanismer som ligger till grund för beteendet hos grafenresonatorer, samt att undersöka hur de kan utnyttjas för att studera kvantmekaniska fenomen hos mekaniska ickelinjära system.
Alla projektmedlemmar

Andreas Isacsson - projektledare

Aurora Voje

Alexander Croy

Christin Edblom

Edit Helgee

Vetenskapsrådet

Publicerad: må 28 okt 2013.