[논문 리뷰] Phononic bandgap nano-acoustic cavity with ultralong phonon lifetime

Gregory S. MacCabe, Hengjiang Ren외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 14.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 45인용 수 40

한 줄 요약

논문은 실리콘 나노빔 공진 cavity에서 음향 모드의 밀리켄트비 measurements를 통해 음향 주파수의 마이크로파 모드 측정과 포노닉 밴드갭 실드의 효과를 보이고, 약 1.5초에 이르는 극장 긴 포논 수명과 약 10^10의 Q 요인을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 포노닉 밴드갭 실드가 나노 스케일 공진기에서 음향 복사를 억제하는 기전과 정량화를 동기 부여하고 설명한다.
• 밀리켄트 온도에서의 뚜렷한 감쇠 메커니즘을 조사하며, 구조화된 Si 소자에서의 TLS 관련 손실에 초점을 맞춘다.
• 공동 위치한 광 모드와 펄스 레이저 냉적진으로 단일 포논 감지 가능성을 보인다.
• shielded 나노빔이 양자 응용을 위한 초고 Q 및 긴 포논 수명에 어떻게 접근하는지 탐구한다.

제안 방법

• 결정질 실리콘 나노빔 광역학 결정에 교차 구조 포노닉 실드로 모든 음향 편광에 대해 넓은 대역폭 밴드갭을 형성한다.
• 5 GHz 구호흡 모드인 호흡 음향 모드와 광 모드를 공동 위치시키고, 펄스 적외추정이 아닌 빨간 측정 레이저 빛으로 여파/읽기를 수행한다.
• 포논 수명과 품질 요인을 추출하기 위한 에너지 링다운 측정을 수행한다.
• 뜨거운 배스와 2수준 시스템(TLS) 결함으로 감쇠를 모형화하여 온도 및 진폭 의존성을 적합한다.
• 방사 손실의 스케일링 및 유효 Q 요인 연구를 위해 실드 주기의 수를 변화시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포노닉 실드 주기의 수를 증가시키면 방사 한계 Q 요인과 포논 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Shielded 나노빔 공동공진기의 5 GHz 호흡 모드에 대한 밀리켄트 온도에서의 지배적 감쇠 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 표면 및 기기 내부의 TLS 결함이 포노닉-밴드갭 나노구조의 감쇠와 진동수 이동에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 시스템이 단일 포논 감도와 초저온에서의 코히런스 타임에 어떤 한계가 있는가?

주요 결과

• 포노닉 밴드갭 실딩은 음향 방사를 크게 억제하며, Q 요인은 4.9×10^10에 도달하고 포논 수명 τph,0 ≈ 1.47–1.5 s이다.
• 초장 수명에 대응하는 유효 포논 전파 길이는 수 킬로미터 수준이다.
• 잔류 감쇠와 진동수 이동은 실리콘 구조 기기의 TLS 결함 상호작용과 온도 및 펌프 파워에 의해 변조되는 것으로 일치한다.
• 실드 주기를 증가시키면 초기에는 Q가 지수적으로 증가하다가 Nshield ≥ 5에서 포화되어 Qm ≳ 10^10에 도달한다.
• 두 톤 코히런트 스펙트로스코피와 높은 진폭 링다운은 서로 다른 들뜸 방법에서도 일정한 감쇠 속도를 확인하게 하여 초고 코히런스의 견고함을 시사한다.
• 이 결과는 양자 메모리 및 양자 붕괴 모델 실험에서 초-코히런스 나노스케일 기계 공진기의 가능성을 시사한다.