Tensostrutture gerarchiche con dissipazione meccanica ultrabassa

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3097 (2022) Citare questo articolo

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La gerarchia strutturale si trova in una miriade di sistemi biologici e ha migliorato le strutture create dall'uomo, dalla Torre Eiffel alle cavità ottiche. Nei risonatori meccanici la cui rigidità è fornita dalla tensione statica, la gerarchia strutturale può ridurre la dissipazione della modalità fondamentale a livelli ultrabassi grazie a una forma non convenzionale di bloccaggio morbido. Qui, applichiamo la progettazione gerarchica ai risonatori nanomeccanici al nitruro di silicio e realizziamo risonatori binari a forma di albero con fattori di qualità della temperatura ambiente fino a 7,8 × 108 alla frequenza di 107 kHz (1,1 × 109 a T = 6 K). La sensibilità alla forza limitata dal rumore termico dei risonatori raggiunge 740 zN/Hz1/2 a temperatura ambiente e 90 zN/Hz1/2 a 6 K, superando i cantilever all'avanguardia attualmente utilizzati per la microscopia a forza. Inoltre, dimostriamo membrane strutturate gerarchicamente a bassissima dissipazione adatte per misurazioni di posizione interferometriche nelle cavità di Fabry-Pérot. I risonatori nanomeccanici gerarchici aprono nuove strade nel rilevamento della forza, nella trasduzione del segnale e nell'optomeccanica quantistica, dove la bassa dissipazione è fondamentale e il funzionamento con la modalità fondamentale è spesso vantaggioso.

La gerarchia strutturale aumenta la rigidità meccanica delle ossa animali1 e dei materiali della rete artificiale2, riduce il peso delle strutture portanti3, consente un'efficiente erogazione di aria agli alveoli nei polmoni4 e di fluidi nei sistemi vascolari5, confina il campo ottico a una scala profondamente inferiore alla lunghezza d'onda6, e offre opportunità uniche per la riduzione della dissipazione meccanica nei materiali sottoposti a sollecitazione7. Quando la gerarchia strutturale è accompagnata da auto-somiglianza a diverse scale, porta a caratteristiche simili a frattali. I risonatori meccanici autosimilari possono avere densità di modi acustici coerenti con dimensionalità non intera8, simili agli spettri di composti naturali con invarianza di scala, come proteine9, aerogel di silice e vetri8.

I risonatori meccanici sollecitati possono avere una dissipazione ultrabassa a causa dell'effetto della diluizione della dissipazione10,11, per cui l'attrito intrinseco del materiale viene diluito tramite la tensione. Questo fenomeno è stato esplorato per la prima volta nelle sospensioni degli specchi dei rilevatori di onde gravitazionali10 e negli ultimi dieci anni è stato sfruttato per ridurre la dissipazione su scala nanometrica12,13. La diluizione della dissipazione è fortemente influenzata dalla geometria del risonatore, che offre un modo pratico per ridurre le perdite meccaniche. Miglioramenti sostanziali sono stati ottenuti mediante il soft-clamping14 basato su cristalli fononici e l'ingegneria della deformazione elastica15, consentendo ai dispositivi nanomeccanici amorfi di avvicinarsi molto ai fattori di qualità (~109) degli oscillatori macroscopici a più bassa dissipazione, come i risonatori bulk in quarzo monocristallo e zaffiro16, 17. Tuttavia, queste tecniche si applicano solo alle modalità di ordine elevato (da ~10 a 100) di stringhe e membrane, imponendo limitazioni sperimentali nell'optomeccanica quantistica come il rumore di intermodulazione18,19 e l'instabilità delle modalità meccaniche di ordine inferiore20. Inoltre, l'ingegneria del bandgap fononico è poco pratica alle basse frequenze a causa delle grandi dimensioni del dispositivo richieste (decine di millimetri per la gamma di 100 kHz). Lavori contemporanei come i modi perimetrali21 e i risonatori "a ragnatela"22 hanno dimostrato una bassa dissipazione alle basse frequenze, ma non per il modo fondamentale della struttura.

Qui utilizziamo la gerarchia strutturale per realizzare una forma non convenzionale di soft clamping per la modalità fondamentale7. Questi risonatori sono ottimi sensori di forza in virtù della loro bassa perdita, bassa massa e bassa frequenza di risonanza (da 50 kHz a 1 MHz in questo lavoro). Le eccitazioni vibrazionali dei nostri risonatori subiscono una decoerenza termica molto lenta a causa dei loro elevati fattori di qualità (fino a Q = 7,8 × 108). A temperatura ambiente, il tasso di decoerenza termica, Γd = kBT/ħQ23 (kB è la costante di Boltzmann, ħ è la costante di Planck ridotta e T è la temperatura), dei nostri migliori dispositivi è inferiore a 10 kHz, paragonabile ai tassi di decoerenza delle nanoparticelle dielettriche intrappolato in un raggio laser24. Queste proprietà rendono i risonatori gerarchici adatti per applicazioni di rilevamento25,26 e una moltitudine di esperimenti di optomeccanica quantistica, come il raffreddamento dello stato fondamentale20,23, la conversione di fotoni ottici a microonde27 e la compressione di un campo ottico28.