[論文レビュー] Soft-clamped silicon nitride string resonators at millikelvin temperatures

Thomas Gisler, Mohamed Helal+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 58被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、アスペクト比が最大200,000に達するソフトクランプド炭化珪素膜ストリングレゾネータが46 mKでQ > 10⁹を達成できることを示しており、高精度なナノメカニカル力センシングを可能にする。ストロボスコピック光干渉計測定と振動遮断型低温運転を用いて、著者らは9.6 zN/√Hzの力感度と0.38 sの熱デコherence時間（デコherence時間）を達成した。これはミリケルビン温度域における量子センシングの可能性を裏付けている。

ABSTRACT

We demonstrate that soft-clamped silicon nitride strings with large aspect ratio can be operated at \si{\milli\kelvin} temperatures. The quality factors ($Q$) of two measured devices show consistent dependency on the cryostat temperature, with soft-clamped mechanical modes reaching $Q > 10^9$ at $46~\mathrm{mK}$. For low optical readout power, $Q$ is found to saturate, indicating good thermalization between the sample and the stage it is mounted on. Our best device exhibits a force sensitivity of $9.6~\mathrm{zN}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ and a thermal decoherence time of $0.38~\mathrm{s}$ which bode well for future applications such as nanomechanical force sensing and beyond.

研究の動機と目的

• ミリケルビン温度域における高アスペクト比炭化珪素膜ストリングレゾネータの安定した動作を実証すること。
• 低温条件下におけるソフトクランプド振動モードの熱化および品質因数（Q）の挙動を調査すること。
• ナノメカニカル力センシングおよび量子オプトメカニクス用途に向けた高力感度と長時間の熱デコherenceを達成すること。
• ストロボスコピック読み出しと振動隔離を用いて、ドライディルートション冷凍機内での光学加熱および機械的ノイズを低減すること。
• 特に光学照射下での超低温域におけるSi3N4レゾネータの固有Qおよび熱的性質を特徴づけること。

提案手法

• プレストレスをかけた炭化珪素膜を用いて、アスペクト比が200,000に達するまでのコーブドソフトクランプドSi3N4ストリングをプロセスした。
• ミキシングチャンバのベース温度が約30 mK、サンプルプレート温度が約40 mKとなるドライディルートション冷凍機にデバイスをマウントした。
• 光学加熱とバックアクションを低減するため、ストロボスコピック測定を組み合わせたファイバー型光干渉計を採用した。
• ピエゾアクチュエータを用いて機械的振動を励起し、ロックインアンプと位相ロックドループを用いて正確な共鳴周波数追跡を実現した。
• 照明のオン/オフ切り替えが可能な可変光減衰器（EVOA）を導入し、『暗黒状態でのリングダウン』を可能にし、正確なQ要因測定を実現した。
• リングダウン減衰解析によりQ要因を測定し、固有Qおよび共鳴周波数から力感度およびデコherence時間を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高アスペクト比を有するソフトクランプドSi3N4ストリングレゾネータは、光学読み出しの影響を受けてもミリケルビン温度域で高いQ要因を維持できるか？
• RQ2 光学読み出しパワーがどれほど加熱を引き起こすか。また、mK温度域で熱的平衡状態に達することができるか？
• RQ3 ソフトクランプドでコーブドされたSi3N4ストリングにおける局在モードのQ要因は、温度にどのように依存するか？
• RQ4 46 mKにおけるこれらのレゾネータの固有力感度および熱デコherence時間はどの程度か？
• RQ5 超薄膜Si3N4ストリングがmK温度域でコherenceを制限する主な散逸メカニズムは何か？

主な発見

• ソフトクランプドSi3N4ストリングレゾネータは46 mKで(2.3 ± 0.12) × 10⁹の品質因数を達成し、Q > 10⁹を満たした。
• 最高性能を示したデバイスは、9.6 zN/√Hzの計算力感度を示し、超高感度力検出に適している。
• 熱デコherence時間は0.38 sに達し、量子応用に適した長時間のコherenceを示した。
• Q要因は温度低下に伴い一貫して増加し、低温環境に強く依存することが示された。
• 低光学読み出しパワーではQ要因が飽和したため、レゾネータとサンプルプレートとの間で熱的平衡状態に達していると示唆された。
• デバイスC（20 nm厚、12ユニットセル、D-to-UC比1.2）の局在モードは46 mKでQ = 2.3 × 10⁹、共鳴周波数1.406 MHzを達成した。