研究人员创造了一种创新的纳米机械谐振器，具有优异的机械质量和压电特性。这一进展预计将为量子传感技术带来令人兴奋的新应用。
来自瑞典查尔莫斯科技大学和德国马格德堡大学的科学家们开发了一种尖端的纳米机械谐振器，结合了两个基本特性：高机械质量和压电性。这一突破可能会在量子传感技术方面带来重大进展。
机械谐振器在过去几个世纪中发挥了多种用途。这些设备的一个基本特征是其在特定频率下振动的能力。一个经典的例子是音叉，当被击打时，它会在其特定的共振频率下振动，产生我们可以听到的声波。得益于微制造方法的改进，研究人员成功地将机械谐振器微型化到微米和纳米尺度。在这些细微的尺寸下，谐振器的振荡频率要高得多，并且相较于较大版本表现出更高的灵敏度。
“这些特性使它们在精密实验中变得非常有价值，例如检测微小的力量或质量变化。最近，纳米机械谐振器因其在量子技术中的潜在应用而受到量子物理学家的显著关注。利用量子运动状态可以进一步提高纳米机械谐振器的灵敏度，”查尔莫斯大学的物理学教授、该研究项目的负责人维特莱夫·维耶佐雷克（Witlef Wieczorek）说道。
这些应用的主要要求是，纳米机械谐振器必须在没有显著能量损失的情况下保持其振荡。这个能力通过机械品质因子来衡量。更高的机械品质因子不仅表明更好的灵敏度，还能够使量子运动状态持续更长时间。这种特性在传感和量子技术应用中是非常受欢迎的。
在寻找一种提供高品质因子和内在压电性的材料
许多表现优异的纳米机械谐振器是由拉伸硅氮化物制成，这种材料以其出色的机械质量而闻名。然而，硅氮化物也有局限性：它是不导电的，不具有磁性，也缺乏压电特性。这给需要原位控制或与其他系统集成的应用带来了挑战。为了满足这些要求，研究人员通常在硅氮化物顶部添加功能性材料，但这往往会降低机械质量因子，限制谐振器的有效性。
最近，来自查尔莫斯科技大学和马格德堡大学的研究人员取得了重大进展，展示了一种由拉伸铝氮化物制成的纳米机械谐振器，这是一种保持高机械品质因子的压电材料。
“压电材料可以将机械运动转化为电信号，反之亦然。这种功能对于在传感任务中直接读取和控制纳米机械谐振器非常有利。它还促进了机械方面与电气方面之间的连接，这在信息转导中至关重要，甚至在量子应用中也是如此，”查尔莫斯的量子技术研究专家、发表在《先进材料》上的研究的主要作者阿纳斯塔西娅·齐尔斯（Anastasiia Ciers）表示。
铝氮化物谐振器实现了超过1000万的令人印象深刻的品质因子。
“这表明拉伸铝氮化物有潜力成为量子传感器或转换器的新型强大材料平台，”维特莱夫·维耶佐雷克表示。
研究人员设定了两个主要目标：进一步提高设备的品质因子，并开发出利用压电性进行量子传感应用的纳米机械谐振器的实用设计。
关于基于铝氮化物的纳米机械谐振器
研究团队利用295纳米厚的高应力铝氮化物薄膜来制造他们的纳米机械谐振器。应力约为1 GPa，相当于在指甲上平衡两头大象。这种高压力是通过一种称为耗散稀释的方法在使用，能够增加机械品质因子。铝氮化物薄膜在硅基底上外延生长，以确保高晶体质量，保持铝氮化物的压电特性。他们设计了一种创新的谐振器，名为“三角线（triangline）”，呈现出一个具有中心三角形垫的分形结构。这个三角线谐振器能够在室温下保持单一的量子相干振荡，这标志着其在量子技术应用中的关键里程碑。
