기계적 소산이 매우 낮은 계층적 인장 구조

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3097(2022) 이 기사 인용

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구조적 계층 구조는 수많은 생물학적 시스템에서 발견되며 에펠탑에서 광학 공동에 이르기까지 인공 구조물이 개선되었습니다. 정적 장력에 의해 강성이 제공되는 기계적 공진기에서 구조적 계층 구조는 색다른 형태의 소프트 클램핑으로 인해 기본 모드의 소산을 초저 수준으로 줄일 수 있습니다. 여기에서는 질화규소 나노기계 공진기에 계층적 설계를 적용하고 107kHz 주파수(T = 6K에서 1.1×109)에서 7.8×108만큼 높은 실온 품질 계수를 갖는 이진 트리 모양 공진기를 실현합니다. 공진기의 열 잡음 제한 힘 감도는 실온에서 740zN/Hz1/2, 6K에서 90zN/Hz1/2에 이르며, 이는 현재 힘 현미경 검사에 사용되는 최첨단 캔틸레버를 능가합니다. 또한, 우리는 Fabry-Pérot 공동의 간섭계 위치 측정에 적합한 계층적으로 구조화된 초저소산 멤브레인을 시연합니다. 계층적 나노기계 공진기는 낮은 소산이 가장 중요하고 기본 모드로 작동하는 것이 종종 유리한 힘 감지, 신호 변환 및 양자 광역학 분야에 새로운 길을 열어줍니다.

구조적 계층 구조는 동물 뼈1 및 인공 네트워크 재료2의 기계적 강성을 증가시키고, 하중을 지탱하는 구조의 무게를 줄이고3, 폐4의 폐포와 혈관계5의 체액에 공기를 효율적으로 전달하고, 광학장을 파장 이하 규모6로 제한합니다. 변형된 재료의 기계적 소산을 줄일 수 있는 독특한 기회를 제공합니다7. 구조적 계층 구조가 서로 다른 규모의 자기 유사성을 동반하면 프랙탈과 같은 특징이 나타납니다. 자기 유사 기계적 공진기는 단백질9, 실리카 에어로겔 및 유리8와 같이 규모 불변성을 갖는 천연 화합물의 스펙트럼과 유사하게 정수가 아닌 차원8과 일치하는 음향 모드 밀도를 가질 수 있습니다.

변형된 기계적 공진기는 소산 희석10,11의 효과로 인해 매우 낮은 소산을 가질 수 있으며, 이에 따라 고유한 재료 마찰은 장력을 통해 희석됩니다. 이 현상은 중력파 검출기10의 거울 서스펜션에서 처음으로 조사되었으며 지난 10년 동안 나노 규모12,13에서 소실을 줄이기 위해 활용되었습니다. 소산 희석은 기계적 손실을 줄이는 실용적인 방법을 제공하는 공진기 형상의 영향을 크게 받습니다. 음파 결정 기반 소프트 클램핑14 및 탄성 변형 엔지니어링15을 통해 상당한 개선이 이루어졌으며, 이를 통해 비정질 나노기계 장치가 단결정 석영 및 사파이어 벌크 공진기와 같은 최저 소산 거시적 발진기의 품질 계수(~109)에 밀접하게 접근할 수 있게 되었습니다. 17. 그러나 이러한 기술은 끈과 막의 고차 모드(~10~100)에만 적용되므로 상호 변조 잡음18,19 및 저차 기계 모드의 불안정성과 같은 양자 광역학에 실험적 한계를 부과합니다. 더욱이, 음성 밴드갭 엔지니어링은 필요한 큰 장치 크기(100kHz 범위의 경우 수십 밀리미터)로 인해 저주파에서는 실용적이지 않습니다. 주변 모드21 및 "거미줄" 공진기22와 같은 동시대의 작업은 저주파에서 낮은 소실을 보여주었지만 구조의 기본 모드에서는 그렇지 않습니다.

여기서 우리는 기본 모드7에 대한 새로운 형태의 소프트 클램핑을 실현하기 위해 구조적 계층 구조를 사용합니다. 이러한 공진기는 낮은 손실, 낮은 질량 및 낮은 공진 주파수(이 작업에서는 50kHz ~ 1MHz) 덕분에 정교한 힘 센서입니다. 우리 공진기의 진동 여기는 높은 품질 요소(최대 Q = 7.8 × 108)로 인해 매우 느린 열 분리를 겪습니다. 실온에서 최고의 장치의 열 결맞음 속도 Γd = kBT/ħQ23(kB는 볼츠만 상수, ħ는 감소된 플랑크 상수, T는 온도)는 10kHz 미만입니다. 이는 유전체 나노입자의 결어긋남 속도와 비교할 수 있습니다. 레이저 빔에 갇혔습니다24. 이러한 특성으로 인해 계층적 공진기는 응용 분야 감지 및 바닥 상태 냉각, 마이크로파 광학 광자 변환 및 광학장 압착과 같은 다양한 양자 광역학 실험에 매우 적합합니다.

3 and large branching angles, θ > 60°, are challenging to fabricate, because of the segment width growth in higher branching generations, and due to spatial constraints of the pad supports (see Fig. 2c)./p> 5 × 108. As expected, increasing the number of branching generations, N, increased the quality factor while leaving the fundamental mode frequency approximately constant. This trend was observed up to N = 3. The quality factors of low-order modes of N = 3 devices were generally in good agreement with theory, as shown by the data in Fig. 2d. This data also confirms the theoretical prediction that many low-order modes of binary tree beams experience reduction of dissipation by soft clamping at the same time. Some discrepancy between experiment and theory was especially evident at the low end of the explored frequency range. The devices with 57 kHz fundamental modes had quality factors more than ten times lower than the predicted values. This discrepancy could be explained by the influence of other loss mechanisms besides internal friction, such as acoustic wave radiation to the chip bulk and fabrication imperfections caused by wide branching segments. One potential extrinsic loss mechanism—damping by residual gas in the vacuum chamber—was experimentally ruled out at room temperature (Qgas ≈ 1010 for a 20-nm-thick resonator at 57 kHz and \({{{{{{{\rm{pressure}}}}}}}}=5\times 1{0}^{-9}\,{{{{{{{\rm{mbar}}}}}}}}\))29. Further investigations are required to understand the origin of added losses./p> 109 at room temperature. Going further, even higher dilution levels could be achieved by introducing strain engineering15 in the hierarchical structures. Higher tensile strain at the mode antinode could be induced by appropriately choosing the segment width ratios. The hierarchical principle may also be applied to enhance the dissipation dilution of tensioned pendula10,39, enabling lower thermal noise for optical element suspensions used in gravitational wave detectors./p>

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