圧電性を内蔵した高品質ナノメカニカル共振器

November, 14, 2024, Gothenburg--スウェーデンのChalmers University of TechnologyとドイツのUniversity of Magdeburgの研究者は、高い機械的品質と圧電性という2つの重要な特徴を組み合わせた新しいタイプのナノメカニカル共振器を開発した。この開発は、量子センシング技術の新たな可能性への扉を開く可能性がある。

機械式共振器は、何世紀にもわたって多数のアプリケーションに使用されてきた。これらのデバイスの重要な点は、特定の周波数で振動する能力である。よく知られている例は音叉。音叉を叩くと、その共振周波数で振動し、われわれの聴覚範囲内の音波を生成する。微細加工技術の進歩により、研究者は機械共振器をマイクロメートルおよびナノメートルスケールに縮小することができた。これらの小さなサイズでは、共振器ははるかに高い周波数で発振し、巨視的なものと比較してより高い感度を示す。

「これらの特性により、それらは精密な実験、たとえば微小な力や質量変化の検出に役立つ。最近、ナノメカニカル共振器は、量子技術での使用可能性から、量子物理学者の間で大きな関心を集めている。例えば、量子運動状態を利用することで、ナノメカニカル共振器の感度がさらに向上する」と、チャルマース工科大学の物理学教授で、この研究のプロジェクトリーダー、Witlef Wieczorekは説明している。

これらのアプリケーションの共通の要件は、ナノメカニカル共振器がエネルギーを失うことなく長時間振動を維持する必要があるということである。この能力は、機械的な品質ファクタ(QF)によって定量化される。大きな機械的QFは、共振器が強化された感度を示し、運動の量子状態が長続きすることも意味する。これらの特性は、センシングおよび量子技術のアプリケーションで強く求められている。

高QFと圧電性を内蔵した材料の探求
最高性能のナノメカニカル共振器のほとんどは、その優れた機械的品質で知られる材料である引張歪窒化ケイ素(SiN)から作られている。しかし、SiNは他の面で非常に「つまらないもの」である:電気を通さず、磁性や圧電性もない。この制限は、ナノメカニカル共振器のin-situ制御や他のシステムとのインタフェースを必要とするアプリケーションではハードルとなっていた。これらのニーズに対応するためには、SiNの上に機能性材料を添加する必要がある。ただし、この追加により、共振器の性能を制限する機械的な品質係数が低下する傾向がある。

今回、チャルマース工科大学とドイツのマクデブルク大学の研究チームは、高い機械的品質係数を維持する圧電材料である引張歪窒化アルミニウム製のナノメカニカル共振器を実証し、大きな飛躍を達成した。

「圧電材料は、機械的な動きを電気信号に、またはその逆に変換する。これは、センシングアプリケーションでのナノメカニカル共振器の直接読み出しと制御に使用できる。また、量子領域に至るまで、情報の変換に関連する機械的自由度と電気自由度のインタフェースにも利用できる」と、チャルマーズ大学の量子技術研究スペシャリスト、Advanced Materialsに掲載された研究の筆頭著者Anastasiia Ciersはコメントしている。

SiN共振器は、1,000万以上の品質係数を達成した。

「これは、引張歪窒化アルミニウムが量子センサや量子トランスデューサの強力な新材料プラットフォームになる可能性があることを示唆している」とWitlef Wieczorekは説明している。

現在、研究チームは、デバイスの品質率をさらに向上させることと、圧電性を量子センシングアプリケーションに利用できる現実的なナノメカニカル共振器の設計に取り組むことの2つを大きな目標としている。