[논문 리뷰] Soft-clamped silicon nitride string resonators at millikelvin temperatures

Thomas Gisler, Mohamed Helal외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 07.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 58인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 길이 대비 두께 비율이 최대 200,000인 소프트 클램프된 실리콘 nitride 스트링 공진기를 46 mK에서 Q > 10⁹를 달성함으로써 고정밀 나노기계적 힘 측정을 가능하게 한다. 스트로보스코픽 광학 간섭계와 진동 차폐된 고온도에서의 작동을 통해 저자들은 9.6 zN/√Hz의 힘 감도와 0.38초의 열 분해시간을 달성하였으며, 밀리켈빈 온도에서 양자 측정의 잠재력을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀리켈빈 온도에서 높은 길이 대비 두께 비율을 가진 실리콘 nitride 스트링 공진기의 안정적인 작동을 입증하기 위해.
• 냉각 조건 하에서 소프트 클램프된 기계 모드의 열화 및 품질 인자(Q) 거동을 조사하기 위해.
• 나노기계적 힘 측정 및 양자 옵티모메커니크스 응용을 위한 높은 힘 감도와 긴 열 분해시간을 달성하기 위해.
• 스트로보스코픽 읽기와 진동 차폐를 통해 건식 극저온 냉각기에서의 광학 가열과 기계적 노이즈를 완화하기 위해.
• 특히 광선 조명 하에서 초저온에서 Si3N4 공진기의 내재된 Q 및 열적 성질을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 예비 스트레스를 가한 실리콘 나이트라이드를 사용하여 길이 4 mm, 두께 20 nm인 길이 대비 두께 비율 최대 200,000인 미세한 소프트 클램프된 Si3N4 스트링을 제작하였다.
• 혼합실 기준 온도 약 30 mK, 샘플 플레이트 온도 약 40 mK인 건식 극저온 냉각기에 장치를 고정하였다.
• 광학 가열과 반작용을 줄이기 위해 스트로보스코픽 측정을 적용한 섬유 기반 광학 간섭계를 사용하였다.
• 기계 진동을 자극하기 위해 피에조 전기 액추에이터를 사용하고, 정밀한 공진 주파수 추적을 위해 락인 증폭기와 위상 잠금 루프를 활용하였다.
• 조명의 on/off 전환을 가능하게 하여 '어둠속에서의 라인다운' 측정을 실현하기 위해 가변 광학 감쇠기(EVOA)를 도입하였다.
• 라인다운 감쇠 분석을 통해 Q 인자를 측정하고, 내재된 Q 및 공진 주파수로부터 힘 감도와 분해시간을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고비율의 소프트 클램프된 Si3N4 스트링 공진기가 광학 읽기 조건 하에서도 밀리켈빈 온도에서 높은 Q 인자를 유지할 수 있는가?
• RQ2 광학 읽기 출력이 얼마나 많은 가열을 유도하는가? 그리고 mK 온도에서 열 평형이 달성될 수 있는가?
• RQ3 소프트 클램프된 미세한 파손된 Si3N4 스트링에서 국소 기계 모드의 품질 인자는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 46 mK에서 이러한 공진기의 내재된 힘 감도와 열 분해시간은 무엇인가?
• RQ5 초박판 Si3N4 스트링에서 mK 온도에서 공명을 제한하는 주요 에너지 손실 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 소프트 클램프된 Si3N4 스트링 공진기는 46 mK에서 (2.3 ± 0.12) × 10⁹의 품질 인자를 달성하여 Q > 10⁹를 확보하였다.
• 최고의 장치는 9.6 zN/√Hz의 계산된 힘 감도를 보였으며, 초민감한 힘 측정에 적합하였다.
• 열 분해시간은 0.38초에 도달하여 양자 응용을 위한 장기 공명을 나타내었다.
• Q 인자는 온도가 낮아짐에 따라 일관되게 증가하였으며, 냉각 조건에 강한 의존성을 보였다.
• 낮은 광학 읽기 출력 조건에서 Q 인자가 포화 상태에 도달하여 공진기와 샘플 플레이트 사이의 열 평형이 이루어졌음을 시사하였다.
• 장치 C(20 nm 두께, 12 단위 세포, D-to-UC 비율 1.2)의 국소 모드는 46 mK에서 Q = 2.3 × 10⁹, 공진 주파수 1.406 MHz를 달성하였다.