Наноразмерные механические резонаторы играют важную роль в высокоточной сенсорике и новых квантовых технологиях, однако их исключительная чувствительность обернулась неожиданной уязвимостью. Как сообщает SciTechDaily, специалисты Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) выяснили, что наномеханическое устройство может заметно утратить способность поддерживать колебания, даже не соприкасаясь с другим объектом. Достаточно расположить изолирующий материал в нескольких сотнях нанометров от такой структуры, и потери энергии резко возрастут, а механическая добротность упадёт вплоть до десяти раз.
Результаты работы, опубликованной в журнале Nature Physics группой Тобиаса Й. Киппенберга, указывают на ранее недооценённое ограничение для сверхточных датчиков и квантовых технологий. Причиной становится электрическое взаимодействие, через которое энергия уходит сквозь, казалось бы, пустой промежуток. В основе механизма лежат статические электрические заряды, захваченные внутри резонатора: при колебаниях структуры они перемещаются вместе с ней и создают меняющееся электрическое поле в окружающем пространстве. Если рядом находится изолятор, например диоксид кремния или нитрид кремния, переменное поле взаимодействует с ним, и энергия рассеивается из-за небольших электрических потерь в материале.
Этот процесс связан с так называемым бесконтактным трением — явлением, которое ранее наблюдали в атомно-силовой микроскопии. Хотя поверхности не касаются друг друга, механическая энергия уходит от колеблющейся структуры. Возникающее затухание снижает добротность, то есть показатель того, насколько эффективно резонатор сохраняет энергию колебаний, а не теряет её.
Исследователи построили теоретическую модель, согласно которой более низкие частоты колебаний должны сопровождаться большими потерями энергии. Для проверки они изучили нитридокремниевые струны, подвешенные примерно в 500 нанометрах над диэлектрическим слоем. Измерение скорости затухания разных мод колебаний подтвердило, что самые низкочастотные моды испытывали наиболее сильное дополнительное затухание, что совпало с расчётами. Во втором эксперименте рассматривались резонаторы с особо высокой добротностью: колеблющиеся струны размещали между полостями фотонного кристалла с зазорами всего в несколько сотен нанометров. По мере сужения зазоров добротность резко падала, иногда в десять раз, а предложенный подход к моделированию позволил воспроизвести влияние захваченных зарядов и в более сложных конфигурациях устройств.
Наноразмерные механические резонаторы представляют собой микроскопические колеблющиеся компоненты, изготовленные на чипах и работающие на частотах от нескольких килогерц до нескольких гигагерц. Благодаря чувствительности их применяют для регистрации крайне малых изменений массы, силы, температуры и давления, а также в радиочастотных фильтрах и чиповых часах. Продвинутые версии позволяют готовить квантовые состояния сравнительно крупных механических объектов и изучать фундаментальную физику. Многие из таких задач требуют работы резонатора в непосредственной близости от других структур, особенно при измерении движения или связи механических колебаний со светом и электрическими системами. Полученные в EPFL данные показывают, что при проектировании тесно интегрированных устройств необходимо учитывать захваченные заряды и диэлектрические потери, даже если физического контакта нет.
То же взаимодействие может найти и практическое применение. Измеряя, как механические колебания теряют энергию вблизи изолирующих поверхностей, исследователи смогут характеризовать электрические потери в тонких плёнках или создавать управляемые взаимодействия между механическими резонаторами и другими электрическими системами. Понимание этих эффектов поможет инженерам сохранять механическую когерентность при встраивании всё более чувствительных резонаторов в сложные квантовые и сенсорные устройства. Работа выполнена при поддержке Швейцарского национального научного фонда (SNSF).