Nanoelektromechanische Resonatoren (NEMRES) Nichtlineare Eigenschaften, Dämpfungsverhalten und lokale Manipulation

• Applicant: Professor Dr. Jörg Peter Kotthaus
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2004 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5436170

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts „Nanoelektromechanische Resonatoren“ wurde das Verständnis nanomechanischer Vibrationsmoden erheblich erweitert und damit Möglichkeiten für ihre breite Nutzung in Grundlagenforschung und Anwendung geschaffen. Unsere Arbeiten konzentrierten sich dabei auf Resonatoren aus stark zugverspanntem Siliziumnitrid, die sich auch bei Raumtemperatur durch ihre außergewöhnlich hohen mechanischen Güten auszeichnen. Während diese Eigenschaften zu Projektbeginn zwar bekannt, jedoch unverstanden waren, ist es uns in den vergangenen Jahren gelungen, sie nahezu vollständig aufzuklären. Zunächst stand die Entwicklung geeigneter Antriebs- und Detektionstechniken im Zentrum unserer Arbeiten. Hierfür wurde die dielektrische Signalwandlung als Methode etabliert, die nun als umfassender Werkzeugkasten für die Kontrolle nanomechanischer Systeme zur Verfügung steht. Sie basiert auf der Wechselwirkung des Resonators mit einem inhomogenen elektrischen Feld, das von zwei auf dem Substrat platzierten Elektroden erzeugt wird. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass nanomechanische Resonatoren mittels dielektrischer Kontrolle effizient angetrieben und empfindlich ausgelesen, sowie in ihrer Eigenfrequenz abgestimmt werden können. Darüber hinaus vermittelt das inhomogene Feld auch eine Kopplung zwischen orthogonal polarisierten Schwingungsmoden. Mit diesen Möglichkeiten der Signalwandlung gelang es uns, tiefe Einsichten in die nichtlinearen Eigenschaften sowie das Dämpfungsverhalten der Resonatoren zu erzielen. Dabei wurden einerseits Nichtlinearitäten einzelner Schwingungsmoden erforscht, etwa als kohärent kontrollierte schnelle Schalter, andererseits der Kopplungsbereich stark gekoppelter mechanischer Moden, in denen sich der Resonator wie ein klassisches Zwei-Niveau-System, analog zu quantemechanischen Spin-Ensembles, kohärent kontrollieren lässt. Die hohen mechanischen Güten konnten zunächst phänomenologisch durch einen starken Anstieg der gespeicherten Schwingungsenergie infolge der Zugspannung bei nahezu unveränderter Dämpfung erklärt werden. Experimentell wiesen wir nach, dass die erreichbare Güte neben der Höhe der Zugspannung vor allem durch defektvermittelte Dämpfung limitiert ist. Zu deren genaueren Erforschung führten wir temperaturabhängige Messungen durch, in deren Verlauf sogenannte Zwei-Niveau-Defekte im glasartigen Siliziumnitrid als ursächlich für die Dämpfung identifiziert wurden. Durch lokale Manipulation des Resonators mittels der Spitze eines Rasterkraftmikroskops gelang es uns nachzuweisen, dass eine direkte Abstrahlung von Schwingungsenergie in die Aufhängung durch eine hohe mechanische Fehlanpassung stark unterdrückt ist. Durch die Experimente zur kohärenten Kontrolle des nanomechanischen Zwei-Niveau-Systems wurde ferner erkannt, dass Dämpfung ausschließlich durch Energierelaxation dominiert ist und reine Phasenrelaxationsprozesse nicht nachweisbar sind. Diese Beobachtungen wurden mit einem mikroskopischen Bild der Dämpfung durch Phononenstreuung an lokalen Materialdefekten konsistent erklärt, womit die hohe Güte zugverspannter Siliziumnitrid Resonatoren weitgehend als verstanden gilt. Insgesamt konnten alle Projektziele erreicht und in international anerkannten Fachzeitschriften publiziert werden, so dass nanomechanische Siliziumnitrid Resonatoren hoher Güte nun als Plattform für weitere Untersuchungen zur Verfügung stehen.

Publications

• “Near-field cavity optomechanics with nanomechanical oscillators”, Nat. Phys. 5, 909 (2009)
  G. Anetsberger, O. Arcizet, Q. P. Unterreithmeier, R. Rivière, A. Schliesser, E. M.Weig, J. P. Kotthaus, T. J. Kippenberg
  
• “Damping of Nanomechanical Resonators”, Phys. Rev. Lett. 105, 027205 (2010)
  Q. P. Unterreithmeier, T. Faust, J. P. Kotthaus
  
• “Nonlinear Switching Dynamics in a Nanomechanical Resonator”, Phys. Rev. B81, 241405(R) (2010)
  Q. P. Unterreithmeier, T. Faust, J. P. Kotthaus
  
• “On-Chip Interferometric Detection of Mechanical Motion”, Nano Lett. 10, 887 (2010)
  Q. P. Unterreithmeier, T. Faust, S. Manus, J. P. Kotthaus
  
• “Frequency and Q factor control of nanomechanical resonator”, Appl. Phys. Lett. 101, 103110 (2012)
  J. Rieger, T. Faust, M. J. Seitner, J. P. Kotthaus, E. M. Weig
  
• “Microwave cavityenhanced transduction for plug and play nanomechanics at room temperature”, Nat. Commun. 3, 728 (2012)
  T. Faust, P. Krenn , S. Manus, J.P. Kotthaus, E.M. Weig
  
• “Nonadiabatic Dynamics of Two Strongly Coupled Nanomechanical Resonators”, Phys. Rev. Lett. 109, 0370205 (2012)
  T. Faust, J. Rieger, M. J. Seitner, J. P. Kotthaus, E. M. Weig
  
• “Voltage-sustained self-oscillation of a nanomechanical electron shuttle”, Appl. Phys. Lett. 101, 213111 (2012)
  D. R. Koenig and E. M. Weig
  
• “Coherent control of a classical nanomechanical two-level system”, Nat. Phys. 9, 485 (2013)
  T. Faust, J. Rieger, M. J. Seitner, J. P. Kotthaus, E. M.Weig
  
• “Energy losses of nanomechanical resonators induced by atomic-force-microscopy-controlled mechanical impedance mismatching”, Nat. Commun. 5, 3345 (2014)
  J. Rieger, A. Isacsson, M. J. Seitner, J. P. Kotthaus, E. M. Weig
  
• “Signatures of twolevel defects in the temperature-dependent damping of nanomechanical silicon nitride resonators”, Phys. Rev. B89, 100102(R) (2014)
  T. Faust, J. Rieger, M. J. Seitner, J. P. Kotthaus, E. M. Weig
  
• “Synchronizing a single-electron shuttle to an external drive”, New Journal of Physics 16, 043009 (2014)
  M. J. Moeckel, D. R. Southworth, E. M. Weig, F. Marquardt