[論文レビュー] Coherent interplay between surface acoustic waves and coupled mechanical resonators: transition from plasmon-like to surface mediated coupling

L. Guy Raguin, Olivier Gaiffe+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、表面弾性波（SAW）と結合したマイクロメカニカル共振器を組み合わせたハイブリッドプラットフォームを提案し、サブ波長スケールで機械的振動の逆可逆的・コherent制御およびSAW伝播の操作を可能にする。共振器の間隔を調整することで、近接距離では双極子-双極子型結合から、距離が離れるにつれて表面を介した機械的結合へと遷移する。この現象は、ベクトル型運動マッピングにより直接的に可視化され、有限要素法によるモデル検証によって裏付けられている。

ABSTRACT

Manipulation of mechanical motion at the micro-scale has been attracting continuous attention, leading to the successful implementation of various strategies with potential impact on classical and quantum information processing. We here propose an approach based on the interplay between a pair of localized mechanical resonators and travelling surface acoustic waves (SAW). We demonstrate the existence of a two-sided interaction, allowing to use SAW to trigger and control the resonator oscillation, and to manipulate the elastic energy distribution on the substrate through resonator coupling. Observation of the vectorial structure of the resonator motion reveals the existence of two coupling regimes, a dipole-dipole-like interaction at small separation distance versus a surface-mediated mechanical coupling at larger separation. These results illustrate the potential of this platform for coherent control of mechanical vibration at a resonator level, and reciprocally for manipulating SAW propagation using sub-wavelength elements.

研究の動機と目的

• 移動表面弾性波（SAW）を用いたマイクロメカニカル共振器の逆可逆的コherent制御のためのプラットフォームを開発すること。
• 共振器間隔とSAW波数ベクトルの向きが、共振器間の結合メカニズムに与える影響を調査すること。
• SAW-共振器ハイブリッドシステムにおける機械的結合のベクトル的性質を実験的に観測し、特徴づけること。
• 共振器間の結合を通じて基板表面における弾性エネルギー分布を制御できることを示すこと。
• 密度の高いアレイにおいて、動的かつ調整可能な機械的結合を実現するスケーラブルで室温動作可能なプラットフォームを確立すること。

提案手法

• リチウムniobate基板上にイオンビーム誘導堆積法（IBID）を用いて直径4.4 µm、高さ約4 µmの円柱型マイクロメカニカル共振器をフォーメーションすること。
• 70 MHz付近で動作する可変入射角を持つチープドインターディジタルトランスデューサーを用いて、移動SAWを生成・制御すること。
• 室温下でレーザー走査ヘテロダイン干渉計を用いて、共振器の運動のベクトル的垂直変位を直接イメージングすること。
• 有限要素法（FEM）を用いて、システムの周波数応答および弾性場分布をモデル化すること。
• 共振器間隔（例：6 µm 対 12 µm）を系統的に変化させ、結合モードの遷移を調査すること。
• 空間的変位マップとモード形状の回復を用いた実験データ解析により、結合メカニズムを同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面弾性波（SAW）が存在する中で、2つのマイクロメカニカル共振器間の結合メカニズムは、その間隔が変化することでどのように変化するか？
• RQ2 SAW波数ベクトルの向きが共振器結合に与える影響はどの程度であり、距離が離れるにつれてその依存性は消失するか？
• RQ3 共振器運動のベクトル的構造は、双極子-双極子型や表面を介した結合といった異なる結合モードを明らかにできるか？
• RQ4 有限要素モデルは、ハイブリッドシステムにおける観測された周波数応答および弾性場分布をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 このプラットフォームは、SAW伝播および機械的エネルギー分布の動的・サブ波長スケール制御にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 6 µmの間隔では、双極子-双極子型結合を示し、SAW波数ベクトルの向きに強く依存しており、プラズモン的ナノ粒子デイマーの挙動に類似している。
• より大きな間隔（例：12 µm）では、結合が表面を介したものに変わり、SAW伝播方向に依存しなくなるため、機械波を介した相互作用に移行していることが示された。
• ベクトル的運動の直接的イメージングにより、直交する偏光状態と回避クロスイング（avoided crossings）が観測され、表面を介した結合モードの存在が確認された。
• 有限要素法モデルはシステムの周波数応答を正確に予測できるが、観測されたモード形状を再現できないため、散逸や非線形性といった未考慮の物理現象が欠落していると示唆された。
• このプラットフォームは逆可逆的制御を可能にし、SAWは共振器を励起でき、共振器はサブ波長スケールでSAW伝播を変調できる。GHz動作とスケーラブルなアレイへの応用が可能である。
• SAW励起パrameter（音響パワー、ひずみなど）を用いた結合の調整が可能であり、機械的および弾性波の挙動に対する動的制御が実現された。