[论文解读] Phononic bandgap nano-acoustic cavity with ultralong phonon lifetime

Gregory S. MacCabe, Hengjiang Ren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 45被引用 40

一句话总结

本文在带有声子带隙屏蔽的硅纳束腔中，对微波频率声学模态进行了毫开尔文量级的测量，实现了约1.5秒的超长声子寿命和约10^10的Q因子。

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.

研究动机与目标

• 阐述并量化声子带隙屏蔽如何抑制纳米级腔结构中的声学辐射损失。
• 在毫开尔文温度下研究阻尼机制，聚焦于结构化硅器件中的TLS相关损耗。
• 展示利用共定位光学模态与脉冲激光激发实现的单声子敏感度的读出。
• 探索屏蔽式纳米梁在量子应用中如何达到超高Q因子和长声子寿命。

提出的方法

• 使用带横截结构的声子屏蔽的晶体硅纳米梁光机械晶体，为所有声学极化创建宽的带隙。
• 将光学模态与5 GHz呼吸模态共定位，并通过脉冲红失谐激光照射进行激励/读出。
• 进行能量衰减(Ringdown)测量以提取声子寿命和品质因子。
• 用热浴与两能级系统TLS缺陷来建立阻尼模型，以拟合温度与振幅的依赖性。
• 改变屏蔽周期数以研究辐射损失和有效Q因子的尺度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加声子屏蔽周期数如何影响辐射限制的Q因子和声子寿命？
• RQ2 在毫开尔文温度下的主导阻尼机制是什么，用于屏蔽纳米梁腔的5 GHz呼吸模态？
• RQ3 表面及器件内部的TLS缺陷如何对具有声子带隙的纳结构产生阻尼和频移？
• RQ4 该系统是否能实现单声子敏感度，在极低温下相干时间的限制是什么？

主要发现

• 声子带隙屏蔽显著抑制声学辐射，Q因子达到4.9×10^10，声子寿命τph,0≈1.47–1.5 s。
• 对应超长寿命的有效声子传播长度大约在公里数量级。
• 残余阻尼和频移与结构化硅器件中的TLS缺陷相互作用一致，受温度和泵浦功率调制。
• 随着屏蔽周期数增加，Q呈指数增长，达到Nshield≥5时饱和，Qm ≳ 10^10。
• 双音相干光谱与高幅度ringdown在不同激发方法下呈现一致的衰减率，表明超高相干性稳健。
• 结果表明超相干纳尺度机械谐振器在量子存储和量子坍缩模型测试方面具有潜在应用。