Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont introduit un nouveau type de résonateur nanomécanique, dans lequel un motif de trous localise les vibrations dans une petite région dans une membrane de 30 nm d'épaisseur. Le modèle supprime considérablement le couplage aux fluctuations aléatoires de l'environnement, renforcer la cohérence des vibrations. La compréhension quantitative et les modèles numériques des chercheurs fournissent un modèle polyvalent pour les dispositifs nanomécaniques ultracohérents. Entre autres, cela permet à une nouvelle génération de capteurs nanomécaniques de sonder les limites quantiques des mesures mécaniques, et une microscopie à force plus sensible. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue scientifique, Nature Nanotechnologie .

Les dispositifs micro et nanomécaniques sont omniprésents en Science et Technologie :ils font tourner les montres, permettre aux smartphones et aux voitures de détecter l'accélération, et fournissent l'élément de base sur lequel s'appuient les microscopes à force atomique (AFM) et ses dérivés sophistiqués. Plus récemment, de tels dispositifs sont également au centre de la science quantique. Les expériences avec les capteurs mécaniques les plus avancés sondent désormais les limites quantiques fondamentales de la mesure des forces, test vieux de dix ans, prédictions nouvellement pertinentes de la communauté de détection des ondes gravitationnelles. Les dispositifs mécaniques quantiques sont également sur le point de jouer un rôle dans la communication quantique et les technologies informatiques, par exemple comme éléments de mémoire ou d'interface.

Une caractéristique cruciale des dispositifs mécaniques dans ces applications est leur cohérence :elle quantifie essentiellement combien (ou de préférence, peu) la dynamique du mouvement est perturbée par des fluctuations aléatoires de l'environnement. Pour un résonateur mécanique oscillant à la fréquence f, un facteur de qualité Q élevé indique une cohérence élevée (par définition, Q/2pf est le temps de stockage d'énergie du résonateur). À la fois, la mesure des forces bénéficie d'une petite masse mobile m. Ensuite, des forces plus petites ont un impact plus important sur le mouvement du capteur. Malheureusement, cependant, ces exigences peuvent être contradictoires :des recherches antérieures ont montré qu'une faible masse m entraîne souvent un faible Q et vice versa.

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Aujourd'hui, des chercheurs dirigés par Albert Schliesser, Professeur à l'Institut Niels Bohr, ont introduit un nouveau type de résonateur nanomécanique qui défie cette règle heuristique. Il est basé sur une membrane en nitrure de silicium tendue sur un cadre en silicium comme une peau de timbale. Pourtant, ses dimensions latérales ne sont que de l'ordre du millimètre, et il est aussi fin que quelques dizaines de nanomètres (Fig. 1). Sa caractéristique distinctive est un motif de trous gravés à travers la membrane. La périodicité du motif donne lieu à une bande interdite phononique, C'est, une gamme de fréquences dans laquelle les ondes élastiques ne peuvent pas se propager. Cela permet de confiner les vibrations - dont la fréquence se situe dans cette gamme - dans un îlot central sans trous, ce que l'on appelle le défaut (Fig. 2). Compte tenu de la petite taille du défaut, la masse vibrante n'est que de quelques nanogrammes.

Surtout, la configuration des trous augmente également le facteur Q des vibrations du défaut de deux manières complémentaires, comme l'explique Albert Schliesser :« D'une part, il empêche la perte d'énergie vibratoire par la propagation des ondes élastiques, c'était bien connu. D'autre part, la partie trouée de la membrane peut encore bouger doucement, et ainsi assurer une transition douce entre le défaut vibrant et le châssis nécessairement statique du dispositif. à la différence de diverses formes—'glissant', 'épinglé', « serré » et « libre » – connu des manuels de génie mécanique. Et c'est précisément ce serrage doux qui booste massivement le facteur Q via un effet appelé dilution de dissipation. En effet, les facteurs de qualité atteints de plus de 200 millions sont sans précédent pour les résonateurs à des fréquences mégahertz. Plus remarquablement, ces chiffres sont obtenus à température ambiante. La sagesse conventionnelle suggère que les résonateurs fabriqués à partir de l'un des matériaux largement utilisés tels que le quartz, silicium, ou diamant, ne peut pas atteindre des produits aussi élevés de fréquence et de facteur de qualité, sauf s'ils sont refroidis par cryogénie. "Toutefois, avec le bon processus de fabrication, notre approche peut en principe s'appliquer aux résonateurs de tout matériau, et ainsi augmenter le Q, " dit le doctorant Yeghishe Tsaturyan, qui a fabriqué les appareils à l'installation de nanofabrication de Danchip.

Une nouvelle génération de capteurs quantiques

« Cela rend cette étude particulièrement utile, " ajoute Albert Schliesser, "avec notre modèle et nos simulations numériques, nous avons maintenant un déterministe, mais une approche polyvalente pour concevoir et construire des résonateurs extrêmement cohérents. C'était plus un art sombre. Maintenant, vous pouvez le prendre et l'adapter à vos besoins."

Mais la cohérence record des dispositifs créés dans le présent travail est déjà attrayante pour un certain nombre d'applications. En particulier, les expériences en optomécanique quantique bénéficieront massivement de la cohérence améliorée de près de 100 fois, par rapport aux résonateurs à membrane de première génération. Les forces associées aux fluctuations du vide quantique devraient être extrêmement importantes, permettant des études détaillées de leurs effets également dans des environnements complexes et, finalement, température ambiante. Cela permettra de nouvelles investigations sur les limites quantiques des mesures de force et de déplacement, concepts très pertinents, notamment pour la conception de détecteurs d'ondes de gravité.

Une autre piste d'intérêt est d'utiliser les membranes dans les microscopes à force de résonance magnétique (MRFM). Semblable à un AFM, ces instruments sont basés sur une mesure de force, et atteindre une résolution spatiale extrême à l'échelle nanométrique. Contrairement à l'AFM, MRFM image les propriétés magnétiques de l'échantillon, comparable aux scanners IRM connus d'utilisation clinique. À son plein potentiel, MRFM promet pas moins que des images 3D chimiquement sélectives de, par exemple, un virus à résolution moléculaire. Cela permettrait de nouvelles connaissances sur la structure et la fonction des systèmes biologiques à l'échelle moléculaire. Les résonateurs troués introduits à l'Institut Niels Bohr pourraient aider à atteindre cet objectif.