[論文レビュー] Ultra-high-Q phononic resonators on-chip at cryogenic temperatures

Prashanta Kharel, Yiwen Chu+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Acoustic Wave Resonator Technologies参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、z切り水晶とx切りシリコンにおけるチップスケールの共焦点バルク音響波共振器を提案し、低温下で2800万（12.7 GHz）および650万（37.8 GHz）という超高Qファクターを達成した。デバイスはマイクロフォーミングされた平面・凸型幾何構造を用い、高周波音響フォノンを閉じ込め、結晶材料内に内在する光起磁性結合を介して非破壊的なレーザー基盤の分光法を可能にした。体積が1000倍以上小さくても、マクロな共振器と同等のf·Q積を示した。

ABSTRACT

Long-lived, high-frequency phonons are valuable for applications ranging from optomechanics to emerging quantum systems. For scientific as well as technological impact, we seek high-performance oscillators that offer a path towards chip-scale integration. Confocal bulk acoustic wave resonators have demonstrated an immense potential to support long-lived phonon modes in crystalline media at cryogenic temperatures. So far, these devices have been macroscopic with cm-scale dimensions. However, as we push these oscillators to high frequencies, we have an opportunity to radically reduce the footprint as a basis for classical and emerging quantum technologies. In this paper, we present novel design principles and simple fabrication techniques to create high performance chip-scale confocal bulk acoustic wave resonators in a wide array of crystalline materials. We tailor the acoustic modes of such resonators to efficiently couple to light, permitting us to perform a non-invasive laser-based phonon spectroscopy. Using this technique, we demonstrate an acoustic $Q$-factor of 28 million (6.5 million) for chip-scale resonators operating at 12.7 GHz (37.8 GHz) in crystalline $z$-cut quartz ($x$-cut silicon) at cryogenic temperatures.

研究の動機と目的

• 低温下で古典的および量子的応用を想定したチップスケールで高性能なフォノニック共振器の開発。
• 外部損失を最小限に抑えることで、小型化されたデバイスにおける超高Qファクターの達成に挑戦。
• 結晶材料内の設計された光-音響結合を通じて、非破壊的でレーザー基盤のフォノン分光法を可能にすること。
• マイクロフォーミングされた共振器におけるf·Q積が、マクロな同等品と同等に達成可能であることを実証すること。
• 多様な結晶材料に応用可能なスケーラブルなフォーミングプラットフォームの確立。

提案手法

• 標準的なマイクロフォーミング技術を用いて、シリコンチップ上にマイクロスケールの平面・凸型バルク音響波（BAW）共振器を設計・フォーミングした。
• 共焦点幾何構造を用いて、結晶基板（z切り水晶、x切りシリコン）の内部に縦方向フォノンモードを強く閉じ込め、表面および端縁損失を最小限に抑えた。
• フォノンモードプロファイルを最適化し、ガウスビームレーザーと高い重なりを確保することで、感度の高いオプトメカニカル検出を可能にした。
• 透明材料に内在する光起磁性結合を活用し、外部トランスデューサーを必要とせず、非破壊的なレーザー基盤のフォノン分光法を実現した。
• ガウスビーム理論を用いて音響モードをモデル化し、ビームの焦点径（wo）、レイリー距離（x′R）、モード間隔などの主要パラメータを導出した。
• クランプによる損失を想定し、共振器の直径外側のエネルギー分率を用いて、アンカリング損失の限界を推定し、理論的Qファクターの限界を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温下でチップスケールのBAW共振器に超高Qファクターのフォノニックモードを達成できるか？
• RQ2 マイクロフォーミングによってデバイスサイズをどれほど小さくできるか、結晶材料における高いQファクターを維持できるか？
• RQ3 非破壊的レーザー基盤分光法を用いて、小型化されたチップ上共振器内のGHz帯フォノンモードをどのように特徴づけられるか？
• RQ4 マイクロフォーミング共振器におけるアンカリング／クランプ損失によるQファクターの理論的限界は何か？
• RQ5 マイクロスケール共振器におけるf·Q積は、マクロなBAW共振器と同等に達成可能か？

主な発見

• 著者らは、低温下でマイクロフォーミングされたz切り水晶共振器において、12.7 GHzのフォノンモードでQファクター2800万を達成した。
• x切りシリコン共振器においては、37.8 GHzのフォノンモードでQファクター650万を達成し、高周波数帯域でも高い性能を確認した。
• 12.7 GHzの水晶共振器の測定済みf·Q積は3.5 × 10¹⁴に達し、マクロなBAW共振器で達成された値と同等であった。
• 理論的アンカリング損失推定値では、水晶で68億、シリコンで150億のQファクターが予測されており、現時点での損失は他のメカニズムが支配的であることを示唆している。
• 横方向モード間隔の測定値（154 kHz）は、理論的予測値（155 kHz）とよく一致しており、ガウスモードモデルの妥当性が裏付けられた。
• 光起磁性結合による非破壊的レーザー分光法により、最小限の摂動で高周波数フォノンモードの精密な特徴づけが可能になった。