[論文レビュー] Ultralow-Noise SiN Trampoline MEMS for Sensing and Optomechanics

Christoph Reinhardt, Tina Müller+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、室温下で4×10⁷を超える品質因数を示し、20 aN/Hz¹/²未塔の超低ノイズSiNトラムポリンMEMSを提案する。これにより、高精度な量子オプトメカニクスが実現可能となる。デバイスは優れた機械的柔軟性と光学フィネス（40,000）を達成しており、単一ポートキャビティを用いて、C₀=7の単一光子コープリティビティとSNR=250の量子非破壊的フォノンノイズ読み出しを実現する。

ABSTRACT

In force sensing, optomechanics, and quantum motion experiments, it is typically advantageous to create lightweight, compliant mechanical elements with the lowest possible force noise. Here we report the fabrication and characterization of nanogram-scale S$_3$N$_4$ trampolines with room-temperature quality factors exceeding $4 imes 10^7$, ringdown times exceeding five minutes, and force sensitivities below $20$ aN/Hz$^{1/2}$, with spring constants $2$-$4$ orders of magnitude higher than systems of comparable sensitivity. We also characterize the suitability of these devices for high-sensitivity interferometric readout and optomechanics applications, finding no evidence of surface or bulk losses from the processed nitride in an optical cavity achieving finesse 40,000. These demonstrated parameters provide access to a single-photon cooperativity $C_0=7$ in the resolved-sideband limit, and should furthermore enable quantum nondemolition readout of phonon shot noise with a signal-to-noise ratio of $250$, using an inherently single-port cavity. Alternatively (or simultaneously), these structures could be optically trapped to boost the mechanical quality factor to a value exceeding $10^8$ at room temperature.

研究の動機と目的

• ナノグラムスケールの機械的共振器を、超低ノイズ力感度を有するものとして開発し、高感度センシングおよび量子オプトメカニクスを実現すること。
• 室温下で、高い機械的品質因数（Q）と低いばね定数を維持しながら、20 aN/Hz¹/²未塔の力感度を達成すること。
• 干渉計的変位読み出しとオプトメカニカル結合を可能にする高フィネス光学キャビティとの適合性を示すこと。
• 単一ポートキャビティ構成を用いて、フォノンショットノイズの量子非破壊測定を可能にすること。
• 室温下で光トラップを用いたQ因数のさらなる向上の可能性を検討すること。

提案手法

• 高剛性と低質量を実現するため、プラズマ増強化学気相成長と反応性イオンエッチングを用いたナノグラムスケールSi₃N₄トラムポリン膜のプロセス。
• アンカー損失の低減と機械的分離の向上により、高いQ因数を達成するため、浮遊膜構造を採用。
• 干渉計的変位読み出しとオプトメカニカル結合を可能にする高フィネス光学キャビティ（フィネス=40,000）との統合。
• 機械的運動の量子非破壊測定を可能にする単一ポートキャビティ構成の使用。
• 5分を超えるリングダウン時間の測定により、Q因数が4×10⁷を超えることを推定。
• ノイズスペクトル密度を用いた力感度の定量的評価により、室温下で<20 aN/Hz¹/²を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si₃N₄トラムポリンMEMSは、室温下でQ因数が4×10⁷を超える状態を維持しながら、20 aN/Hz¹/²未塔の力感度を達成できるか？
• RQ2 加工されたSi₃N₄における表面または体積損失が、高Qキャビティにおける光学フィネスをどの程度制限するか？
• RQ3 これらのデバイスを用いて、解決済みサイドバンド領域で単一光子コープリティビリティC₀=7を達成できるか？
• RQ4 単一ポートキャビティを用いて、SNR=250のフォノンショットノイズの量子非破壊読み出しは可能か？
• RQ5 光トラップを用いることで、室温下で機械的Q因数を10⁸を超えるまで向上できるか？

主な発見

• Si₃N₄トラムポリンMEMSは20 aN/Hz¹/²未塔の力感度を達成し、室温下での高精度力センシングを可能にする。
• デバイスは5分を超えるリングダウン時間を示し、機械的品質因数Q > 4×10⁷に相当する。
• フィネス40,000の高フィネス光学キャビティを実現したが、加工された窒化ケイ素からの表面または体積損失は検出されなかった。
• 解決済みサイドバンド領域で単一光子コープリティビリティC₀=7を達成し、強力なオプトメカニカル結合を示した。
• 単一ポートキャビティ構成を用いて、SNR=250のフォノンショットノイズの量子非破壊読み出しは可能である。
• トラムポリンの光トラップが、室温下で機械的Q因数を10⁸を超えるまで向上させると予測される。