[論文レビュー] Phononic bandgap nano-acoustic cavity with ultralong phonon lifetime

Gregory S. MacCabe, Hengjiang Ren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 45被引用数 40

ひとこと要約

この論文は、フォノニック・バンギャップ・シールドを備えたシリコンナノビーム共振腔のマillikelvin温度でのマイクロ波周波数音響モードの測定を示し、音振寿命を約1.5秒、Q因子を約10^10程度まで達成した。

ABSTRACT

We present measurements at millikelvin temperatures of the microwave-frequency acoustic properties of a crystalline silicon nanobeam cavity incorporating a phononic bandgap clamping structure for acoustic confinement. Utilizing pulsed laser light to excite a co-localized optical mode of the nanobeam cavity, we measure the dynamics of cavity acoustic modes with single-phonon sensitivity. Energy ringdown measurements for the fundamental $5$~GHz acoustic mode of the cavity shows an exponential increase in phonon lifetime versus number of periods in the phononic bandgap shield, increasing up to $τ\approx 1.5$~seconds. This ultralong lifetime, corresponding to an effective phonon propagation length of several kilometers, is found to be consistent with damping from non-resonant two-level system defects on the surface of the silicon device. Potential applications of these ultra-coherent nanoscale mechanical resonators range from tests of various collapse models of quantum mechanics to miniature quantum memory elements in hybrid superconducting quantum circuits.

研究の動機と目的

• フォノニック・バンギャップ遮蔽がナノスケールキャビティにおける音響放射損失を抑制するメカニズムを動機づけ、定量化する。
• ミリ Kelvin 温度での減衰機構を調査し、構造化SiデバイスにおけるTLS関連損失に焦点を当てる。
• 局在共振モードとパルス励起レーザーによるリードアウトを用いて、単一フォノン感度をデモンストレーションする。
• 遮蔽されたナノビームが超高Q因子と長いフォノン寿命にどのように近づくかを、量子応用の観点から探索する。

提案手法

• 結晶シリコンのナノビーム光機械結晶を用い、クロス構造のフォノニック・シールドにより全ての音響偏光の広い帯域ギャップを作成する。
• 光モードを5 GHzの呼吸音響モードと共局在させ、赤外線ではなくパルス励起した赤偏置レーザー光で励起/読み出しを行う。
• エネルギー環の減衰測定を行い、フォノン寿命と品質因子を抽出する。
• 熱浴と二重準位系TLS欠陥を用いて減衰をモデル化し、温度と振幅依存性を適合させる。
• 放射損失のスケーリングと実効Q因子を調べるために遮蔽周期の数を変化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノニック遮蔽周期数を増やすと放射制約Q因子とフォノン寿命はどう変化するか？
• RQ2 遮蔽されたナノビームキャビティの5 GHz呼吸モードに対して、ミリケルビン温度で支配的な減衰機構は何か？
• RQ3 表面およびデバイス内部のTLS欠陥が、フォノニック・バンギャップナノ構造の減衰と周波数シフトにどう寄与するか？
• RQ4 システムは単一フォノン感度を達成できるか、超低温でのコヒーレンス時間を制限する要因は何か？

主な発見

• フォノニック・バンギャップ遮蔽が音響放射を著しく抑制し、Q因子は4.9×10^10、フォノン寿命τph,0 ≈ 1.47–1.5 sに達する。
• 超長寿命に対応する実効フォノン伝搬長はキロメートル級である。
• 残留減衰と周波数シフトは、構造化シリコンデバイスにおけるTLS欠陥相互作用と一致し、温度と駆動パワーによって調整される。
• 遮蔽周期を増やすと初期にQが指数的に増加するが、Nshield ≥ 5で飽和し、Qm ≳ 10^10となる。
• 二音調和分光と高振幅のリングダウン測定は、励起法に関係なく一貫した減衰速度を確認し、超高コヒーレンスの頑健性を示す。
• 結果は量子メモリと量子崩壊モデルの検証など、超コヒーレントなナノスケール機械共振器の可能性を示唆する。