Induktive Detektion von mechanischem Rauschen und Seitenbandeffekten in stark getriebenen Membranresonatoren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elke Scheer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510766045

Mechanische Resonatoren im Mikro- und Nanometerbereich besitzen Anwendungspotenzial als Aktuatoren oder Sensoren in verschiedensten Bereichen. Eine wichtige Realisierung solcher Resonatoren sind Nanomembranen, deren Schwingungsverhalten auch räumlich abgebildet werden kann. Ihr nichtlineares Verhalten wird erst seit Kurzem intensiv untersucht. Zu den Eigenschaften, die sich im nichtlinearen Bereich ändern, gehören Fluktuationen, Frequenzgangspektren und räumliche Schwingungsmuster sowie „Quasimoden“, die durch die Brechung der Zeittranslationssymmetrie im nichtlinearen mechanischen System hervorgerufen werden. Diese Phänomene werden bisher jedoch zumeist im (nur leicht nichtlinearen) Duffing-Regime untersucht. Wir werden diese Untersuchungen erweitern in die Bereiche der spatial modulation und der starken Kopplung zwischen Biegewellenmoden. In diesen Bereichen treten in Membranresonatoren mit hohem Gütefaktor besondere Rauschphänomene und Seitenbanden der Quasimoden auf, die beide das Auftreten höherer Harmonischer der Anregungsfrequenz bewirken, wie durch ein phänomenologisches Modell beschrieben werden konnte. In Vorexperimenten haben wir die Eigenschaften der Quasimoden-Seitenbanden untersucht und sehr ungewöhnliches Verhalten gefunden: nichtmonotone Abhängigkeit der Frequenz und der Intensität von der Antriebsstärke, „Avoided crossings“ und Selbstoszillation. Die Ursache dieser ausgeprägten Seitenbandeffekte ist jedoch noch unklar und kann nicht aus bestehenden Modellen abgeleitet werden. In diesem Projekt werden wir Seitenbandeneffekte im spatial modulation und im Modenkopplungsbereich stark getriebener Membranresonatoren systematisch untersuchen. Dazu wenden wir eine induktive Detektionsmethode bei variabler Temperatur an, um die Güte in situ variieren zu können. Von theoretischer Seite planen wir ein Modell für die Ursache und die Eigenschaften der Quasimoden und ihrer rauschinduzierten Seitenbanden vom Duffing-Regime auf das stark nichtlineare Regime zu erweitern. Darüber hinaus wird die Rolle der Modenkopplung für das Auftreten der Avoided Crossings und der Selbstoszillation untersucht, indem wir die Zugspannung der Membranen durch spezielle Nanostrukturierung anpassen, um die Effekte der Modenkopplung von anderen nichtlinearen Effekten unterscheiden zu können. Zudem werden wir die induktive Messmethode in einen optischen Profilometeraufbau integrieren, um die räumliche Korrelation der Seitenbandeneffekte zu untersuchen. Vor Kurzem wurde für Saiten- und Membranresonatoren im Duffing-Regime gezeigt, dass die rauschinduzierten Seitenbanden Informationen über Rausch-Quetscheffekte und die Intensität des mechanischen Rauschens enthalten; zwei Aspekte, die zur Charakterisierung mechanischer Systeme von großem Interesse sind. Wir werden diese Phänomene untersuchen, um die Rolle der räumlichen Modulation und der Biegemoden-Kopplung auf die Rauscheigenschaften zu klären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen