Исследователи из Швеции и Германии представили новый наномеханический резонатор, сочетающий высокое механическое качество и пьезоэлектрические свойства.
Механические резонаторы применяются уже несколько веков. Их используют, например, в камертонах, которые создают звуковые волны за счет колебаний на резонансной частоте. Сегодняшние технологии позволили исследователям уменьшить механические резонаторы до микро- и нанометровых размеров. Это позволяет резонаторам колебаться на высоких частотах и достигать высокой чувствительности, значительно превышая макроскопические аналоги.
Наномеханические резонаторы активно исследуются в квантовой физике благодаря их уникальным свойствам, подходящим для использования в квантовых технологиях. Они способны обнаруживать мельчайшие изменения массы и силы, что делает их незаменимыми для высокоточных экспериментов.
«Эти устройства вызывают значительный интерес среди квантовых физиков, так как их можно использовать в качестве квантовых датчиков и для других квантовых приложений», — поясняет профессор Витлеф Вичорек, возглавляющий проект в Технологическом университете Чалмерса.
Для успешного применения в квантовых сенсорах необходим высокий коэффициент механической добротности, что подразумевает долговечность квантовых состояний движения. Многие современные наномеханические резонаторы производятся из нитрида кремния, отличающегося высоким качеством механики, однако не обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Это ограничение мешает использованию таких резонаторов в приложениях, где требуется тонкое управление и взаимодействие с другими системами.
Исследователи попытались решить данную проблему, добавив поверх нитрида кремния пьезоэлектрический материал, однако это часто снижает механическое качество устройства. Именно здесь ученым удалось сделать крупный прорыв — они разработали наномеханический резонатор из нитрида алюминия, который сохранил как высокие механические качества, так и пьезоэлектричность.
Пьезоэлектрические материалы способны преобразовывать механические движения в электрические сигналы и обратно, что позволяет управлять наномеханическим резонатором в сенсорных устройствах. Как объясняет научный специалист по квантовым технологиям Анастасия Сиерс, нитрид алюминия обеспечивает связь механических и электрических степеней свободы, что может стать актуальным при передаче информации в квантовых приложениях.
Новый наномеханический резонатор на основе нитрида алюминия демонстрирует коэффициент качества свыше 10 миллионов. Этот результат подтверждает, что материал может стать прочной основой для квантовых датчиков и преобразователей, что ранее было сложно достичь. Теперь исследователи планируют работать над улучшением добротности резонаторов и созданием конструкций, которые позволят эффективно использовать пьезоэлектрические свойства в квантовом зондировании.