[论文解读] Optical probing of mechanical loss of a Si_{3}N_{4} membrane below 100 mK

R. Fischer, N. S. Kampel+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用 4

一句话总结

本研究在低于100 mK的温度下，通过光学探测实现了对高应力Si₃N₄膜机械损耗的测量，利用声子晶体屏蔽和光学自由振荡衰减检测技术，在35 mK时实现了2.3×10⁸的记录性机械品质因数。结果揭示了显著的温度依赖性耗散特性以及对光学加热的敏感性，凸显了在mK温度下实现超高品质因数谐振器在量子光机械和精密传感中的潜力。

ABSTRACT

We report on low mechanical loss in a high-stress silicon nitride (Si_{3}N_{4}) membrane at temperatures below 100 mK. We isolate a membrane via a phononic shield formed within a supporting silicon frame, and measure the mechanical quality factor of a number of high-tension membrane modes as we vary our dilution refrigerator base temperature between 35 mK and 5 K. At the lowest temperatures, we obtain a maximum quality factor (Q) of 2.3 imes10^{8}, corresponding to a Q-frequency product (QFP) of 3.7 imes10^{14} Hz. These measurements complement the recent observation of improved quality factors of Si_{3}N_{4} at ultralow temperatures via electrical detection. We also observe a dependence of the quality factor on optical heating of the device. By combining exceptional material properties, high tension, advanced isolation and clamping techniques, high-stress mechanical objects are poised to explore a new regime of exceptional quality factors. Such quality factors combined with an optical probe at cryogenic temperatures will have a direct impact on resonators as quantum objects, as well as force sensors at mK temperatures.

研究动机与目标

• 使用光学检测方法测量低于100 mK低温下高应力Si₃N₄膜的机械损耗。
• 研究机械品质因数（Q）的温度依赖性，并在极低温下识别损耗机制。
• 考察光学探测功率对机械耗散的影响，特别是光学加热效应的影响。
• 展示在mK温度下实现Si₃N₄膜超高品质因数的可行性，以用于量子和精密传感应用。
• 探讨声子晶体屏蔽和夹持技术在最小化外部损耗通道中的作用。

提出的方法

• 在声子晶体（PnC）硅芯片上制备了高应力Si₃N₄膜谐振器，通过声子带隙实现声学隔离。
• 将膜热耦合至稀释制冷机基板，基底温度在35 mK至5 K之间变化。
• 使用压电环形激励器激发机械模式，并通过波长为900 nm的连续光束自由空间激光进行探测。
• 采用自由振荡衰减技术测量机械衰减时间，透射光信号由放大光电二极管检测，并通过网络分析仪分析。
• 从激励后机械振幅的指数衰减中提取品质因数Q。
• 系统性地改变光学探测功率（从1 nW到10 nW），以评估其对Q的影响，并从高功率下Q的退化推断加热效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于100 mK的温度下，高应力Si₃N₄膜的机械品质因数是多少？其随温度如何变化？
• RQ2 在mK温度下，光学探测功率如何影响谐振器的机械Q？这对热传导和耗散过程意味着什么？
• RQ3 在极低温下，声子晶体屏蔽在多大程度上减少了Si₃N₄膜的外部机械损耗？
• RQ4 在mK温度下，使用光学检测技术，Si₃N₄膜可实现的最大Q因子和Q-频率乘积（QFP）是多少？
• RQ5 在低温下，光学加热效应对非晶Si₃N₄的机械耗散有何影响？这些效应能否用于探测光学性质？

主要发现

• 在35 mK时测得的最高机械品质因数（Q）为2.3×10⁸，对应的Q-频率乘积（QFP）为3.7×10¹⁴ Hz，为目前报道的Si₃N₄谐振器中最高值。
• 随着光学探测功率的增加，Q因子显著下降，表明光学吸收引起加热并增加了机械耗散。
• 在100 mK以上观察到损耗率（Γₘ）单调增加，且未出现Q的平台或恢复迹象，与类似温度下的先前电学测量结果形成对比。
• Q因子对热循环敏感，热循环后测得的Q值较低，表明热历史会影响内部损耗机制。
• 在35 mK和10 nW光学功率下，(2,2)膜模式的Q为2.3×10⁸，衰减率为(2π)7.05±0.005 mHz，与高保真度自由振荡衰减测量结果一致。
• 结果表明，mK温度下可测量光学加热效应，为未来在低温条件下定量研究Si₃N₄的光学与热学性质提供了可能。