[论文解读] Soft-clamped silicon nitride string resonators at millikelvin temperatures

Thomas Gisler, Mohamed Helal+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 58被引用 16

一句话总结

本研究展示了软夹持的氮化硅弦振子在高达200,000的长宽比下，可在46 mK温度下实现Q > 10⁹，从而实现高保真度的纳米机械力传感。通过使用闪光式光学干涉测量法和振动隔离的低温运行，作者实现了9.6 zN/√Hz的力灵敏度和0.38 s的热退相干时间，验证了其在毫开尔文温度下用于量子传感的潜力。

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.

研究动机与目标

• 展示高长宽比氮化硅弦振子在毫开尔文温度下的稳定运行。
• 研究软夹持机械模式在低温条件下的热化行为和品质因数（Q）特性。
• 实现高力灵敏度和长热退相干时间，以应用于纳米机械力传感和量子光机械学。
• 通过闪光式读出和振动隔离，减轻干式稀释制冷机中的光学加热和机械噪声。
• 表征Si3N4振子在超低温下的本征Q值和热学特性，特别是光学照射下的表现。

提出的方法

• 使用预应力氮化硅制备了长宽比高达200,000（4 mm长，20 nm厚）的波纹状软夹持Si3N4弦振子。
• 将器件安装在干式稀释制冷机中，混合室基底温度约为30 mK，样品板温度约为40 mK。
• 采用基于光纤的光学干涉仪结合闪光式测量，以减少光学加热和反作用力。
• 使用压电致动器激发机械振荡，并利用带相位锁定环的锁相放大器实现精确的共振跟踪。
• 采用可变光学衰减器（EVOA）实现照明的开关控制，从而实现“黑暗中的自由衰荡”，以准确测量Q值。
• 通过自由衰荡衰减分析测量Q值，并从本征Q值和共振频率中提取力灵敏度和退相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在光学读出的情况下，高长宽比的软夹持Si3N4弦振子是否能在毫开尔文温度下维持高Q值？
• RQ2 光学读出功率在多大程度上引起加热？在毫开尔文温度下能否实现热平衡？
• RQ3 在软夹持、波纹状的Si3N4弦振子中，局域机械模式的品质因数如何随温度变化？
• RQ4 在46 mK下，这些振子的本征力灵敏度和热退相干时间是多少？
• RQ5 在毫开尔文温度下，限制超薄Si3N4弦振子相干性的主要耗散机制是什么？

主要发现

• 该软夹持Si3N4弦振子在46 mK下实现了(2.3 ± 0.12) × 10⁹的品质因数，对应Q > 10⁹。
• 性能最佳的器件计算得到的力灵敏度为9.6 zN/√Hz，适用于超灵敏力检测。
• 热退相干时间达到0.38 s，表明其在量子应用中具有长相干性。
• Q值随温度降低而持续增加，显示出对低温条件的强烈依赖性。
• 低光学读出功率下出现Q值饱和，表明振子与样品板之间达到热平衡。
• 器件C（20 nm厚，12个单元胞，D-to-UC比值为1.2）的局域模式在46 mK下实现Q = 2.3 × 10⁹，共振频率为1.406 MHz。