Ученые из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Магдебургского университета в Германии представили уникальный наномеханический резонатор, сочетающий в себе превосходное механическое качество и пьезоэлектрические свойства. Эта инновация может значительно расширить возможности квантового зондирования.
Механические резонаторы на протяжении столетий находят применение в различных сферах, например, в камертонных устройствах, которые резонируют с определенной частотой, генерируя звуковые волны. Современные достижения в области микротехнологий позволили уменьшить размер механических резонаторов до микро- и нанометровых масштабов, благодаря чему они работают на более высоких частотах и обладают значительно большей чувствительностью по сравнению с макроскопическими аналогами.
«Эти уникальные свойства делают наномеханические резонаторы востребованными в точных измерениях, таких как детекция миниатюрных сил или изменений массы. В последние годы они привлекают пристальное внимание квантовых физиков из-за их потенциальной роли в квантовых технологиях», — отмечает Витлеф Вичорек, профессор физики в Технологическом университете Чалмерса и руководитель данного исследования.
Для использования в сенсорных и квантовых технологиях важно высокое механическое качество резонаторов, что подразумевает высокую чувствительность и долговечность квантовых состояний движения. Наиболее эффективные наномеханические резонаторы изготавливаются из нитрида кремния с повышенной натяженностью, материала, отличающегося выдающимися механическими свойствами. Однако он не является пьезоэлектрическим, что ограничивает его использование в случаях, где требуется непосредственное управление или интеграция с другими системами.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи добавили функциональный слой на нитрид кремния, однако это обычно снижает механическое качество. Здесь было сделано значительное открытие: ученые создали резонатор из натянутого нитрида алюминия, пьезоэлектрического материала, который, тем не менее, сохраняет высокий коэффициент качества.
«Пьезоэлектрические материалы преобразуют механические движения в электрические сигналы и наоборот. Это открывает возможность для прямого считывания и управления резонатором в сенсорных приложениях. Они также могут быть использованы для интеграции механических и электрических степеней свободы, что имеет значение при передаче информации, включая квантовые режимы», — объясняет Анастасия Сиерс, специалист по квантовым технологиям из Чалмерса и ведущая автор исследования.
Резонатор на основе нитрида алюминия достиг показателя качества более 10 миллионов, что свидетельствует о его потенциале для использования в квантовых датчиках или преобразователях. Исследователи ставят перед собой задачи по дальнейшему повышению качества и созданию реалистичных конструкций резонаторов, чтобы раскрыть потенциал пьезоэлектричества в квантовом зондировании.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Источник: iXBT
