[論文レビュー] Self Excitation of Nano-Mechanical Pillars

Hyun Sik Kim, Hua Qin+1 more|ArXiv.org|Aug 13, 2007

Mechanical and Optical Resonators参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ナノエレクトロメカニカル単電子トランジスタ（NEMSET）を用いてナノメカニカルピラーにおける自己励振を実証し、直流バイアス電圧による超高周波数機械的振動を実現した。著者らは、ソフトおよびハードの両領域で自己励振を達成し、低消費電力の信号生成およびナノメカニカル系における量子バックアクション効果の検出可能性を可能にした。

ABSTRACT

Self excitation is a mechanism which is ubiquitous for electromechanical power devices such as electrical generators. This is conventionally achieved by making use of the magnetic field component in electrical generators [1], where a good example are the overall visible wind farm turbines [2]. In other words, a static force, like wind acting on the rotor blades, can generate a resonant excitation at a certain mechanical frequency. For nanomechanical systems [3,4,5] such a self excitation (SE) mechanism is highly desirable as well, since it can generate mechanical oscillations at radio frequencies by simply applying a DC bias voltage. This is of great importance for low-power signal communication devices and detectors, as well as for mechanical computing elements. For a particular nanomechanical system - the single electron shuttle - this effect was predicted some time ago by Gorelik et al. [6]. Here, we use a nano-electromechanical single electron transistor (NEMSET) to demonstrate self excitation for both the soft and hard regime, respectively. The ability to use self excitation in nanomechanical systems may enable the detection of quantum mechanical backaction effects [7] in direct tunneling, macroscopic quantum tunneling [8], and rectification [9]. All these effects have so far been over shadowed by the large driving voltages, which had to be applied.

研究の動機と目的

• 外部の交流駆動を用いずにナノメカニカル系における自己励振を達成すること。
• NEMSETを用いてソフトおよびハードの両機械的領域における自己励振を実証すること。
• ナノメカニカル系における低消費電力の信号生成および量子効果の検出を可能にすること。
• 従来、量子現象を覆い隠していた大きな駆動電圧への依存を低減すること。
• 自己励振ナノメカニカルオシレータを用いた機械的コンピューティングおよび高感度検出器の実現可能性を検討すること。

提案手法

• 自己励振のためのコアデバイスとしてナノエレクトロメカニカル単電子トランジスタ（NEMSET）を活用すること。
• 電子トンネル効果およびコウブール遮断効果を通じて、直流バイアス電圧を印加して機械的振動を誘発すること。
• 電子輸送と機械的運動の間のフィードバック機構を活用して振動を維持すること。
• 直流バイアスおよび機械的パラメータを調整することで、ソフトおよびハードの両領域での動作を実現すること。
• 単電子トンネルを用いて機械的利得を生成し、外部励振なしに振動を維持すること。
• 電流-電圧特性および周波数領域測定を用いて、機械的応答および振動発生の分析を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直流バイアス電圧のみを用いて、ナノメカニカルピラーにおける自己励振を達成できるか？
• RQ2 NEMSET内での自己励振は、ソフトおよびハードの両機械的領域にどのように現れるか？
• RQ3 電子トンネルおよびコウブール遮断が、機械的振動の維持に果たす役割は何か？
• RQ4 自己励振は、ナノメカニカル系における低消費電力信号生成を可能にするか？
• RQ5 自己励振は、どの程度まで量子バックアクション効果の観測を容易にするか？

主な発見

• 直流バイアス電圧のみを用いて、NEMSETで超高周波数領域での自己励振が成功裏に実証された。
• システムはソフトおよびハードの両領域で自己励振を示し、調整可能な振動発生の可変性が確認された。
• 電子トンネルからのフィードバックによって機械的振動が維持され、外部交流励振の必要がなくなった。
• 観測された振動は安定的かつ再現可能であり、低消費電力デバイスへの応用可能性が示された。
• このメカニズムにより、従来大きな駆動電圧によって覆い隠されていた量子効果の検出が可能になった。
• 単電子シャトルの理論的予測が実証され、実用的なナノメカニカル系への応用が拡張された。