[論文レビュー] Fast measurement of carbon nanotube resonator amplitude with a heterojunction bipolar transistor

Kyle Willick, Xiaowu Tang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、低温環境下での長距離送信ラインおよび高接触抵抗によるRC時間定数の制限を克服し、マイクロ秒スケールのカーボンナノチューブ（CNT）レゾネータ振幅測定を可能にする近接型HBT（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）アンプを提案する。低周波数バイアス信号を用いた修正されたクーロン整流方式により、線形および強く非線形な状態の両方において、非破壊的かつ高速な機械的運動の読み出しが可能となり、過渡応答時間が最短で10 µsに達する。これにより、スピン緩和時間スケール内での単一分子磁気遷移の検出が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

Carbon nanotube (CNT) electromechanical resonators have demonstrated unprecedented sensitivities for detecting small masses and forces. The detection speed in a cryogenic setup is usually limited by the CNT contact resistance and parasitic capacitance. We report the use of a heterojunction bipolar transistor (HBT) amplifying circuit near the device to measure the mechanical amplitude at microsecond timescales. A Coulomb rectification scheme, in which the probe signal is at much lower frequency than the mechanical drive signal, allows investigation of the strongly non-linear regime. The behaviour of transients in both the linear and non-linear regimes is observed and modeled by including Duffing and non-linear damping terms in a harmonic oscillator equation. We show that the non-linear regime can result in faster mechanical response times, on the order of 10 microseconds for the device and circuit presented, potentially enabling the magnetic moments of single molecules to be measured within their spin relaxation and dephasing timescales.

研究の動機と目的

• 長距離送信ラインおよび高接触抵抗によって引き起こされる低温下でのCNTレゾネータ測定におけるRC時間定数の制限を克服すること。
• 単一分子力およびスピンセンシングの応用を想定し、カーボンナノチューブレゾネータにおける機械的振幅の高速かつ高帯域幅の読み出しを可能にすること。
• 近接デバイスHBTアンプを用いて、線形および強く非線形な機械的状態の両方において、マイクロ秒スケールの過渡応答を実証すること。
• 機械的励振を引き起こさない非混合型低周波バイアスを用いたクーロン整流技術の有効性を検証すること。

提案手法

• パラシティック容量を最小限に抑えるために、CNTレゾネータの近傍に共集極アンプ構成でSiGeヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）を統合する。
• HBTは1.15 Vの電源で駆動され、100 kHzのバイアス周波数で動作し、測定された電気的リングダウン時間は10 µs未満である。
• 測定バイアス周波数を機械的駆動周波数よりもはるかに低くすることで、時間平均電流変調を介して機械的振幅を検出可能な修正されたクーロン整流方式を採用する。
• 出力電流のRMSエンベロープを10 µsのスライディングウィンドウで抽出し、16 kHzのノイズを狭帯域・バンドストップフィルタで除去する。
• 非線形ダイナミクスは、非線形ダンピング項および三次の剛性項を含む減衰Duffing発振子方程式でモデル化し、過渡データにフィットさせてα、γ、ηのパラメータを抽出する。
• CNTレゾネータはCVD成長法により2 µmの溝を跨いで作製され、局所ゲート電極を備え、4Heクライオスタット内で1.4 Kで動作する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接型HBTアンプは、RC制限を克服し、CNT機械的レゾネータに対してマイクロ秒スケールの読み出し帯域幅を達成できるか？
• RQ2 修正されたクーロン整流技術は、余分な機械的励振を引き起こさずに、高速かつ非破壊的な機械的振幅測定を可能にするか？
• RQ3 CNTレゾネータの強く非線形な状態は、線形状態よりも速い機械的応答時間を示すか？
• RQ4 非線形ダンピング項（α、γ、η）を含むDuffing発振子モデルは、線形および非線形両状態における過渡挙動をどれほど正確に記述できるか？
• RQ5 測定帯域幅は、単一分子スピン緩和および位相崩壊時間スケール（マイクロ秒〜ミリ秒）と同等の時間スケールでの機械的過渡現象を解像できるか？

主な発見

• HBTアンプは10 µs未満の電気的リングダウン時間を達成し、マイクロ秒スケールの測定帯域幅を実現した。
• システムは機械的過渡応答時間が10 µsオーダーであることを示し、一般的なRC制限付きの装置に比べて顕著に高速である。
• 強く非線形な状態では、非線形性およびダンピング効果の増強により、線形状態よりも速い機械的応答時間が観測された。
• 非線形ダンピング項（α、γ、η）を含むDuffing発振子モデルは、起動および停止の両過渡挙動を良好にフィットし、γ = 1×10−17およびη = 22の値で定常状態振幅と良好な一致を示した。
• 修正されたクーロン整流技術により、バイアス周波数が機械的共鳴周波数よりもはるかに低いことから、機械的運動に影響を与えることなく強い測定信号が得られた。
• 本手法により、スピン位相崩壊時間スケール（マイクロ秒〜ミリ秒）内での単一分子磁性体の磁気遷移のシングルショット検出が可能になる可能性がある。これは、量子情報技術の要件を満たす。