Сканирующая электронная микрофотография многоугольного резонатора. На вставке показана форма периметральной моды. Предоставлено: Мохаммад Дж. Берейхи (EPFL).

Колебательные моды наномеханических резонаторов аналогичны различным нотам гитарной струны и имеют схожие свойства, такие как частота (высота тона) и время жизни. Срок службы характеризуется добротностью, которая представляет собой число колебаний резонатора до уменьшения его энергии на 70 %. Коэффициент качества имеет решающее значение для современных применений механических резонаторов, поскольку он определяет уровень теплового шума, который является пределом для обнаружения слабых взаимодействий и наблюдения квантовых эффектов.

Теперь ученые из EPFL под руководством профессора Тобиаса Дж. Киппенберга показывают, что правильный многоугольник, подвешенный за его вершины, поддерживает колебательные моды по периметру с чрезвычайно высокими коэффициентами качества. Это следствие геометрической симметрии правильных многоугольников в сочетании с упругими свойствами конструкций при растяжении. Этот подход к инженерии потерь имеет важное преимущество по сравнению с предыдущими методами: реализация факторов высокого качества в устройствах с гораздо меньшими размерами.

«Новые режимы периметра не только бьют рекорд по самому высокому коэффициенту качества, но и почти в 20 раз компактнее, чем устройства с аналогичными характеристиками», — говорит Нильс Энгельсен, старший автор исследования. «Компактность дает реальные практические преимущества. В нашей лаборатории мы пытаемся измерять и контролировать механические вибрации на квантовом уровне с помощью света, что требует подвески механических резонаторов менее чем на один микрометр к конструкции, которая направляет свет. Это гораздо проще с компактными устройствами».

Несложная конструкция многоугольных резонаторов позволяет авторам сделать еще один шаг вперед и создать цепочку из соединенных многоугольных резонаторов. Эта цепочка связанных генераторов может вести себя разительно иначе, чем одиночный резонатор. Авторы изучают особую динамику этой цепочки, возникающую из-за способа соединения резонаторов.

Точное измерение силы является важным применением наномеханических резонаторов. Измеряя флуктуации положения многоугольного резонатора с помощью оптического интерферометра, авторы демонстрируют, что эти резонаторы могут измерять флуктуации силы до 1 аттоньютона. Этот уровень чувствительности приближается к современным атомно-силовым микроскопам.

«Мы надеемся, что продемонстрированная чувствительность многоугольников к силе в сочетании с их компактностью и простотой вдохновит их на использование в реальных силовых микроскопах», — говорит Мохаммад Берейхи, руководитель исследования, опубликованного в Physical Review X.

«До сих пор улучшение механических показателей качества происходило за счет увеличения размера и сложности конструкции, что делало современные устройства очень сложными в изготовлении. С режимами периметра дело обстоит иначе. Я считаю, что простота этот новый дизайн значительно расширяет его потенциал для поиска новых и многообещающих применений».