Un dispositif micromécanique génère une série de mesures précises, fréquences de vibration équidistantes, analogue à la lumière du "peigne de fréquence optique, " qui a considérablement amélioré la précision des mesures et pourrait conduire à des avancées dans la détection de changements sur de très longues échelles de temps, telles que la mesure des changements lents du champ gravitationnel terrestre.

L'invention lauréate du prix Nobel du peigne de fréquence optique - une lumière dont le spectre contient une série de pics également espacés – a révolutionné la conception des horloges atomiques et autres dispositifs de haute précision. Les chercheurs ont maintenant créé un peigne de fréquence phononique, dans lequel le spectre de vibrations d'un cristal suit le même schéma que le peigne optique. La découverte confirme une prédiction théorique récente et pourrait être utile pour des mesures de précision qui nécessitent une stabilité, étalon basse fréquence, tels que ceux impliquant des changements lents.

Les peignes de fréquence optique ont considérablement simplifié et amélioré la mesure du temps de précision, entre autres domaines. Une façon de générer un peigne de fréquence optique consiste à utiliser un milieu « non linéaire » dans lequel les photons interagissent les uns avec les autres pour générer de nouveaux photons à des fréquences différentes de celles des photons initiaux. Ces effets peuvent être exploités pour créer une lumière dont le spectre contient une série de nombreuses fréquences équidistantes.

Adarsh ​​Ganesan, Cuong Do et Ashwin Seshia, basé au Centre des Nanosciences, n'essayaient pas de créer un peigne de fréquence phononique, l'équivalent vibratoire du peigne optique. Ils étudiaient le comportement des phonons - les vibrations des atomes dans une structure cristalline - dans une plaquette rectangulaire de silicium, 1100 par 350 par 10 micromètres, recouvert d'une fine couche de nitrure d'aluminium, un matériau qui vibre en réponse à une tension appliquée. La plaquette était fixée à une structure de support en deux points, lui permettant de vibrer en réponse à une tension appliquée oscillante. L'équipe a observé les vibrations de la plaquette en réfléchissant la lumière laser sur sa surface, leur permettant d'enregistrer à la fois la configuration spatiale et les fréquences des phonons avec une grande précision.

Lorsqu'ils appliquaient la tension oscillante à certaines fréquences, les chercheurs ont été surpris que la réponse de la plaquette ait la forme d'un peigne de fréquence aux endroits de la surface avec la plus grande amplitude de mouvement. Pour une fréquence de stimulation de 3,862 MHz, par exemple, le spectre de vibration de la plaquette montrait plusieurs pics séparés de 2,6 kHz.

À la recherche d'une explication à cette découverte surprenante, les chercheurs sont tombés sur un argument théorique de 2014 décrivant, de façon schématique, comment générer un peigne de fréquence phononique. Peter Schmelcher de l'Université de Hambourg, Allemagne, et ses collègues avaient étudié les chaînes dites Fermi-Pasta-Ulam (FPU) - des ensembles de masses reliées par des ressorts dont la force de rappel dépend non seulement de la longueur sur laquelle elles sont étirées mais aussi du carré et éventuellement du cube de cette longueur . Les vibrations de la chaîne représentent des phonons unidimensionnels, et la non-linéarité permet à ces phonons d'interagir et de créer de nouveaux phonons à différentes fréquences. Schmelcher et ses collègues ont montré que la vibration d'une extrémité d'une chaîne FPU à une fréquence de forçage légèrement différente de la somme de deux fréquences de résonance génère un peigne de fréquence.

Le professeur Seshia dit que bien que le modèle FPU ne puisse pas capturer toute la complexité du comportement des phonons dans une plaquette, lui et ses collègues ont trouvé que cela expliquait très bien les peignes de fréquence qu'ils ont observés. Comme dans le modèle FPU, il était important que la fréquence de forçage ne soit pas une somme exacte des fréquences de phonons de la plaquette. Une fois cette condition remplie, un spectre en peigne est apparu avec l'espacement prédit par la théorie. La variation de la réponse du peigne à mesure que l'équipe variait la fréquence et la puissance de la vibration de forçage suivait également le modèle FPU.

La principale difficulté expérimentale était qu'une fréquence de forçage hors résonance est inefficace pour exciter les phonons dans la plaquette :un peigne de fréquence n'apparaissait que lorsque la puissance de l'oscillation de forçage dépassait une valeur seuil. Cependant, Le professeur Seshia dit qu'il ne devrait pas être difficile d'améliorer la conception de l'appareil pour exciter plus facilement les peignes de fréquence.

Schmelcher convient que les nouvelles expériences vérifient le mécanisme théorique que lui et ses collègues ont proposé. Il note également que, puisqu'un peigne de fréquence représente un ensemble supplémentaire de phonons pouvant transmettre de l'énergie vibratoire dans la plaquette, il peut ouvrir de nouvelles voies pour qu'un dispositif absorbe l'énergie vibratoire et améliore ainsi son efficacité.

Le professeur Seshia voit des applications possibles dans les systèmes micro- et nano-électromécaniques où l'intervalle de fréquence d'un peigne fournirait une fréquence étalon précise et stable bien inférieure à la fréquence des phonons eux-mêmes. Cela pourrait être particulièrement précieux, il ajoute, pour détecter les changements sur de très longues échelles de temps, comme les gravimètres qui mesurent les changements lents du champ gravitationnel de la Terre.

Cette recherche est publiée dans Lettres d'examen physique .