Kuinka läheisyys varastaa energiaa nanoresonaattoreilta

Nanomekaaniset resonaattorit värähtelevät siruilla taajuuksilla muutamasta kilohertsistä gigahertsiin. Niitä käytetään ultraherkkinä massan ja voiman, lämpötilan ja paineen ilmaisimina sekä radiotaajuussuodattimien ja sirukellojen komponentteina. Nykyaikaisia, huippuluokan resonaattoreita käytetään myös makroskooppisten kappaleiden kvanttitilojen luomiseen ja perusfysiikan testaamiseen.

Monissa sovelluksissa resonaattorit on sijoitettava lähelle muita materiaaleja, jotta niiden liike tai vuorovaikutus muiden ilmiöiden kanssa voidaan lukea. Niiden korkea koherenssi parantaa useimpien sovellusten suorituskykyä, mutta se luo myös uuden haasteen:

Lähellä olevat dielektriset materiaalit voivat aiheuttaa lisää energiahäviöitä jopa ilman fyysistä kosketusta. Tämä ylimääräinen vaimennus heikentää laatukerrointa ja asettaa käytännön rajoituksia sille, kuinka lähelle muita rakenteita voidaan tuoda suorituskyvyn heikkenemättä.

EPFL:n Tobias J. Kippenbergin ryhmän tutkijat ovat nyt osoittaneet, että jo pelkkä näiden resonaattoreiden tuominen lähelle eristäviä materiaaleja voi heikentää niiden suorituskykyä.

Kuinka loukkuun jääneet varaukset kuluttavat energiaa

Syynä ovat resonaattoriin mahdollisesti jäävät staattiset sähkövaraukset. Resonaattorin värähtelyn seurauksena se luo ympäröivään tilaan muuttuvan sähkökentän. Jos lähellä olevalla materiaalilla, kuten piidioksidilla tai piinitridillä, on pieniä sähköhäviöitä, tämä kenttä aiheuttaa energian haihtumista sen sisällä. Nämä kaksi kappaletta eivät koskaan kosketa toisiaan, mutta energiaa vuotaa pois. Tämä ilmiö liittyy niin sanottuun "kosketuksettomaan kitkaan", ilmiöön, jota on aiemmin havaittu atomivoimamikroskopiassa.

Tutkijat rakensivat mallin, joka ennusti selkeän ominaisuuden: matalataajuisten värähtelyjen pitäisi menettää enemmän energiaa. He testasivat tätä käyttämällä piinitridisäikeitä, jotka oli ripustettu noin 500 nanometrin korkeuteen dielektrisen kerroksen yläpuolelle, ja mittasivat, kuinka nopeasti eri värähtelymoodit heikkenivät. Matalimman taajuuden moodit osoittivat ylimääräistä häviötä, täsmälleen ennustetulla tavalla.

Mutta yllätys tuli toisessa kokeessa, jossa tutkijat suunnittelivat säikeitä, joilla oli korkea Q-kerroin, ja sijoittivat ne fotonisten kideonteloiden väliin, joissa oli muutaman sadan nanometrin raot. Raon kaventuessa laatukerroin laski, joissakin tapauksissa jopa kymmenkertaisesti. Tutkijoiden tässä työssä kehittämät tekniikat mahdollistivat heille kosketuksettoman kitkan tarkan mallintamisen monimutkaiseen geometriaan jääneiden varausten avulla.

Löydökset asettavat uusia suunnittelurajoituksia ultrakoherenteille nanomekaanisille järjestelmille. Laitteiden, jotka ovat riippuvaisia läheisyydestä muihin komponentteihin, on otettava huomioon loukkuun jääneiden varausten aiheuttama kosketukseton kitka, joka voi heikentää mekaanista koherenssia.

Samaan aikaan sama mekanismi voi toimia työkaluna, joka auttaa mittaamaan ohutkalvojen dielektrisiä häviöitä tai mahdollistaa hallitun kytkennän muihin sähköjärjestelmiin. Näiden resonaattoreiden siirtyessä kohti kehittyneempiä tunnistus- ja kvanttiteknologioita, tällaisten piilevien häviölähteiden ymmärtäminen ja hallinta on olennaista.

Aiheesta aiemmin:

Nanoresonaattorit avaavat tietä kvanttiverkoille

Askel kohti mekaanisten kubittien toteuttamista

Nanoresonaattoreita 3D-tulostuksella