Herstellung großskaliger nanomechanischer Resonatoren mit höchsten Gütefaktoren und erste Anwendungsstudien

• Antragsteller: Dr. Christoph Reinhardt
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Messsysteme ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556301065

Mechanische Membran-Resonatoren sind strukturierte dünne Schichten, die frei und unter Zugspannung von einem Silizium Chip hängen. Sie verfügen über Schwingungsmodi mit außergewöhnlich niedrigen intrinsischen Verlusten bzw. einem ultrahohen mechanischen Gütefaktor Q~10^9. Daher werden sie für vielfältige Anwendungen genutzt, unter anderem als Kraftsensoren oder quantenmechanische Oszillatoren. Hierbei unterdrückt der ultrahohe Q das thermische Kraftrauschen (∝Q^(-1/2)) und die Dekohärenzrate (∝1/Q). Aufgrund ihrer hervorragenden Empfindlichkeit werden Membranen nun für die Suche nach neuen fundamentalen physikalischen Phänomenen, wie Dunkler Materie und Gravitationswellen bei hohen Frequenzen, oberhalb des etablierten Frequenzbereichs, erforscht. Um die benötigten Empfindlichkeiten zur Detektion vorhergesagter Signale zu erreichen sind allerdings erhebliche Weiterentwicklungen, im Vergleich zu bestehenden Membranen, erforderlich. Die vorgeschlagene Forschung zielt darauf ab, erstmals diese Einschränkungen hinsichtlich der Detektion hochfrequenter Gravitationswellen zu überwinden. Zu diesem Zweck ist das Hauptziel, Membranen mit Q~10^11 herzustellen, was einer hundertfachen Verbesserung gegenüber dem aktuellen Rekord entspricht. Dafür soll die lineare Skalierung von Q mit der Membranfläche genutzt werden. Konkret wird eine dramatische Vergrößerung von einigen Quadratmillimetern, aktueller Stand, auf einige Quadratzentimeter angestrebt. Darüber hinaus werden die Membranen aus kristallinem Silizium hergestellt, anstelle des üblicherweise verwendeten amorphen Siliziumnitrids. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung von Q, aufgrund der geringeren Dichte struktureller Defekte in Silizium verglichen mit Siliziumnitrid. Ein weiterer Vorteil von Silizium ist seine höhere thermische Leitfähigkeit. Diese ist besonders für den betrachteten membranbasierten Gravitationswellendetektor von Nutzen. Hier wird die Bewegung der Membran über den Strahlungsdruck von Laserlicht hoher Leistung kontrolliert. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht ein effektives Abführen der durch optische Absorption in der Membran entstehenden Wärme. Dies soll experimentell verifiziert werden. Die angestrebten Entwicklungen könnten auch bedeutende Fortschritte für die Verwendung einer Membran als Quanten-Oszillator bei Raumtemperatur, als Sensor für dunkle Materie sowie einer Vielzahl weiterer Messgrößen ermöglichen. In diesem Projekt werden die hergestellten Membranen als Sensor für Gasdruck untersucht. Es wird erwartet, dass ihr Gütefaktor im Bereich von 10^-10 mbar (Ultrahochvakuum) bis 10^3 mbar (Umgebungsdruck) druckabhängig ist. Dies soll demonstriert werden, wodurch der erste Gasdrucksensor realisiert würde, der diesen weiten und technologisch relevanten Druckbereich abdeckt. Außerdem ist geplant, die Membranen zur Messung von Heliumdruck bei einer Temperatur von 10 K zu verwenden, wofür kein kommerzieller Sensor existiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Benno Willke
• Kooperationspartner: Professor Dr. Albert Schliesser