Nouveaux oscillateurs nanomécaniques à perte record

Les modes de vibration des résonateurs nanomécaniques sont analogues aux différentes notes d'une corde de guitare et ont des propriétés similaires telles que la fréquence (hauteur) et la durée de vie. La durée de vie est caractérisée par le facteur de qualité, qui correspond au nombre de fois où le résonateur oscille jusqu'à ce que son énergie soit réduite de 70 %. Le facteur de qualité est crucial pour les applications modernes des résonateurs mécaniques car il détermine le niveau de bruit thermique, qui est une limite pour la détection des forces faibles et l'observation des effets quantiques.

Des scientifiques de l'EPFL dirigés par le professeur Tobias J. Kippenberg montrent qu'un polygone régulier suspendu à ses sommets supporte des modes vibratoires le long du périmètre avec des facteurs de qualité extrêmement élevés. Ceci est une conséquence de la symétrie géométrique des polygones réguliers, combinée aux propriétés élastiques des structures sous tension. Cette approche de l'ingénierie des pertes présente un avantage important par rapport aux techniques précédentes : elle permet de réaliser des facteurs de qualité élevés dans des dispositifs de taille beaucoup plus réduite.

Micrographie électronique à balayage d'un résonateur polygonal. L'encart montre la forme du mode périmétrique. Crédit : Mohammad J. Bereyhi (EPFL)

"Non seulement les nouveaux modes périmétriques battent le record du facteur de qualité le plus élevé, mais ils sont près de 20 fois plus compacts que les appareils aux performances similaires", explique Nils Engelsen, auteur principal de l'étude. "Cette compacité s'accompagne de réels avantages pratiques. Dans notre laboratoire, nous essayons de mesurer et de contrôler les vibrations mécaniques au niveau quantique en utilisant la lumière, ce qui nécessite la suspension de résonateurs mécaniques à moins d'un micromètre d'une structure qui guide la lumière. Cette prouesse est beaucoup plus simple avec des dispositifs compacts. "

La conception simple des résonateurs polygonaux permet aux auteurs de faire un pas de plus et de créer une chaîne de résonateurs polygonaux connectés. Cette chaîne d'oscillateurs couplés peut avoir un comportement étonnamment différent de celui d'un seul résonateur. Les auteurs étudient la dynamique particulière de cette chaîne qui découle de la façon dont les résonateurs sont connectés.

La détection précise de la force est une application importante des résonateurs nanomécaniques. En mesurant les fluctuations de position d'un résonateur polygonal à l'aide d'un interféromètre optique, les auteurs démontrent que ces résonateurs peuvent mesurer des fluctuations de force aussi faibles que 1 attonewton. Ce niveau de sensibilité s'approche de celui des microscopes à force atomique les plus modernes.

"Nous espérons que la sensibilité à la force démontrée des polygones, combinée à leur compacité et à leur simplicité, inspirera leur utilisation dans des microscopes de force réels", déclare Mohammad Bereyhi, qui a dirigé l'étude. "Jusqu'à présent, les améliorations des facteurs de qualité mécaniques se sont faites au prix d'une augmentation de la taille et d'une complexité accrue de la conception, ce qui rend les dispositifs de pointe très difficiles à fabriquer. Avec les modes périmétriques, c'est une autre histoire. Je pense que la simplicité de cette nouvelle conception élargit considérablement son potentiel pour trouver des applications nouvelles et prometteuses. "