[論文レビュー] Optical probing of mechanical loss of a Si_{3}N_{4} membrane below 100 mK

R. Fischer, N. S. Kampel+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、100 mK未塔の温度で高応力Si₃N₄膜の機械的損失を光学的にプローブした。音響的帯域ギャップを有するフォノニック結晶シールドと光学リングダウン検出を用いて、35 mKで2.3×10⁸という記録的な機械的Qファクターを達成した。結果から、温度依存の損失と光学加熱に起因する感度が強く明らかになった。これは、mK温度域における量子オプトメカニクスおよび高精度センシングに向けた超高Q共振器の可能性を示している。

ABSTRACT

We report on low mechanical loss in a high-stress silicon nitride (Si_{3}N_{4}) membrane at temperatures below 100 mK. We isolate a membrane via a phononic shield formed within a supporting silicon frame, and measure the mechanical quality factor of a number of high-tension membrane modes as we vary our dilution refrigerator base temperature between 35 mK and 5 K. At the lowest temperatures, we obtain a maximum quality factor (Q) of 2.3 imes10^{8}, corresponding to a Q-frequency product (QFP) of 3.7 imes10^{14} Hz. These measurements complement the recent observation of improved quality factors of Si_{3}N_{4} at ultralow temperatures via electrical detection. We also observe a dependence of the quality factor on optical heating of the device. By combining exceptional material properties, high tension, advanced isolation and clamping techniques, high-stress mechanical objects are poised to explore a new regime of exceptional quality factors. Such quality factors combined with an optical probe at cryogenic temperatures will have a direct impact on resonators as quantum objects, as well as force sensors at mK temperatures.

研究の動機と目的

• 100 mK未塔の低温環境下で、高応力Si₃N₄膜の機械的損失を光学的検出を用いて測定すること。
• 超低温域における機械的Qファクター（Q）の温度依存性を調査し、損失機構を同定すること。
• 特に光学加熱効果に起因する、光学プローブ出力が機械的散逸に与える影響を検討すること。
• mK温度域における量子および高精度センシング応用を想定した、Si₃N₄膜における超高Qファクター実現の可能性を示すこと。
• フォノニック結晶シールドおよびクランプ技術が、外部からの損失チャネルをどれほど低減できるかを検討すること。

提案手法

• 音響的バンドギャップを有するフォノニック結晶（PnC）シリコンチップ上に高応力Si₃N₄膜共振器をフォトリソグラフィーで作製し、フォノニックバンドギャップによる音響的遮断を実現した。
• 膜は冷却器のディルューション冷凍機ベースプレートに熱的に接続され、ベース温度を35 mKから5 Kの範囲で変更した。
• ピエゾエレクトリックリングアクチュエータを用いて機械的モードを励振し、900 nmの連続波自由空間レーザー光ビームでプローブした。
• 機械的減衰時間はリングダウン法により測定され、透過光信号は増幅型フォトダイオードで検出し、ネットワークアナライザを用いて解析した。
• 励振後に観測された機械的振動振幅の指数関数的減衰からQファクターを抽出した。
• 光学プローブ出力を1 nWから10 nWまで系統的に変化させ、Qへの影響を評価した。高出力でのQの低下から、吸収による加熱効果を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 mK未塔の温度域における高応力Si₃N₄膜の機械的Qファクターはどの程度で、温度に伴いどのように変化するか？
• RQ2 mK温度域における光学プローブ出力が共振器の機械的Qに与える影響は何か。これにより、熱的および散逸プロセスの理解がどのように進むか？
• RQ3 フォノニック結晶シールドが、超低温域におけるSi₃N₄膜の外部機械的損失をどれほど低減できるか？
• RQ4 光学検出を用いた場合、mK温度域におけるSi₃N₄膜の最大QファクターおよびQ周波数積（QFP）はどの程度達成可能か？
• RQ5 アモルファスSi₃N₄膜における光学加熱効果が、低温域の機械的散逸に与える影響は何か。また、これにより光学的性質の定量的評価が可能になるか？

主な発見

• 測定された最高の機械的Qファクターは35 mKで2.3×10⁸であり、Q周波数積（QFP）は3.7×10¹⁴ Hzに達し、Si₃N₄共振器として報告された中で最高記録となった。
• 光学プローブ出力が増加するに従いQファクターが著しく低下したため、光学吸収による加熱が機械的散逸を増加させていることが示された。
• 100 mKを超える温度で損失率（Γₘ）が単調に増加したが、Qの plateau や回復の兆しは観測されず、類似温度域での電気的測定結果とは対照的であった。
• Qファクターは熱サイクリングに敏感であり、熱サイクリング後にQ値が低下したため、熱履歴が内部損失機構に影響を与えている可能性が示唆された。
• 35 mK、10 nWの光学プローブ出力条件下で、(2,2)膜モードのQは2.3×10⁸、減衰率は(2π)7.05±0.005 mHzを示し、高精度なリングダウン測定と整合的であった。
• 結果から、mK温度域における光学加熱効果が測定可能であることが示され、今後の低温環境下におけるSi₃N₄の光学的および熱的性質の定量的評価が可能になると考えられる。