研究人员开发了内置压电的高质量纳米机械谐振器

瑞典查尔姆斯理工大学和德国马格德堡大学的研究人员开发了一种新型纳米机械谐振器，该谐振器结合了两个重要特征：高机械质量和压电性。这一发展可能为量子传感技术的新可能性打开大门

几个世纪以来，机械谐振器已被用于多种应用。这些设备的一个关键方面是它们在特定频率下振动的能力。一个众所周知的例子是音叉。当被敲击时，音叉会以共振频率振荡，在我们的听力范围内产生声波

随着微细加工技术的进步，研究人员已经能够将机械谐振器缩小到微米和纳米级。在这些微小的尺寸下，谐振器以更高的频率振荡，与宏观对应物相比表现出更高的灵敏度

“这些特性使它们在精确实验中非常有用，例如用于感测微小的力或质量变化。最近，纳米机械谐振器因其在量子技术中的潜在用途而引起了量子物理学家的极大兴趣。

”例如，查尔姆斯理工大学物理学教授、该研究的项目负责人Witlef Wieczorek说，使用量子运动态将进一步提高纳米机械谐振器的灵敏度。

这些应用的一个共同要求是纳米机械谐振器需要长时间维持振荡而不损失能量。这种能力通过机械品质因子来量化

较大的机械品质因数也意味着谐振器表现出增强的灵敏度，并且运动的量子态寿命更长。这些特性在传感和量子技术应用中备受追捧

大多数性能最好的纳米机械谐振器都是由拉伸应变氮化硅制成的，这种材料以其出色的机械质量而闻名。然而，氮化硅在其他方面相当“无聊”：它不导电，也不是磁性或压电性的。这种限制一直是需要原位控制或将纳米机械谐振器连接到其他系统的应用中的一个障碍

为了满足这些需求，有必要在氮化硅上添加一种功能材料。然而，这种添加往往会降低机械品质因数，从而限制谐振器的性能

现在，查尔姆斯理工大学和德国马格德堡大学的研究人员取得了巨大的飞跃，他们展示了一种由拉伸应变氮化铝制成的纳米机械谐振器，这是一种保持高机械品质因数的压电材料。这项研究发表在《先进材料》杂志上

“压电材料将机械运动转化为电信号，反之亦然。这可用于传感应用中纳米机械谐振器的直接读出和控制。它还可用于连接机械和电自由度，这与信息传递有关，甚至可以到量子机制，”Chalmers量子技术研究专家、该研究的主要作者Anastasiia Ciers说

氮化铝谐振器的品质因数超过1000万。“这表明拉伸应变氮化铝可能是量子传感器或量子换能器的强大新材料平台，”Witlef Wieczorek说

研究人员现在有两个主要目标：进一步提高设备的品质因数，并致力于现实的纳米机械谐振器设计，使他们能够利用压电技术进行量子传感应用 More information: Anastasiia Ciers et al, Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202403155

Journal information: Advanced Materials