Специалисты Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) выяснили, что наномеханические устройства могут терять значительную часть способности поддерживать колебания, даже не соприкасаясь с другими объектами. Как сообщается в публикации в журнале Nature Physics, достаточно расположить изолирующий материал всего в нескольких сотнях нанометров от такой структуры, чтобы потери энергии резко возросли. В результате механическая добротность устройства может упасть в десять раз.
Причиной эффекта становится электрическое взаимодействие, позволяющее энергии уходить через внешне пустой промежуток. Внутри механического резонатора скапливаются статические заряды, и при колебаниях структуры они перемещаются вместе с ней, создавая переменное электрическое поле. Если рядом находится изолятор, например диоксид кремния или нитрид кремния, это поле взаимодействует с ним, и энергия рассеивается из-за небольших электрических потерь материала.
Явление связано с так называемым бесконтактным трением, которое ранее фиксировали при работе атомно-силовой микроскопии. Хотя поверхности не касаются друг друга, механическая энергия уходит от колеблющейся структуры, а возникающее затухание снижает добротность — показатель того, насколько эффективно резонатор сохраняет энергию колебаний. Группа Тобиаса Й. Киппенберга построила теоретическую модель, согласно которой более низкие частоты колебаний должны терять больше энергии.
Для проверки ученые исследовали нитридокремниевые струны, подвешенные примерно в 500 нанометрах над слоем диэлектрика. Измерения скорости затухания разных мод колебаний подтвердили, что самые низкочастотные моды испытывают наиболее сильное дополнительное демпфирование, что совпало с прогнозом модели. Во втором эксперименте резонаторы с исключительно высокой добротностью разместили между полостями фотонных кристаллов с зазорами всего в несколько сотен нанометров: по мере сужения промежутков добротность резко падала, иногда в десять раз.
Наномеханические резонаторы представляют собой микроскопические колеблющиеся компоненты, создаваемые на чипах и работающие на частотах от нескольких килогерц до нескольких гигагерц. Благодаря высокой чувствительности их применяют для регистрации мельчайших изменений массы, силы, температуры и давления, а также в радиочастотных фильтрах и чиповых часах. Продвинутые версии позволяют готовить квантовые состояния сравнительно крупных механических объектов и изучать фундаментальную физику.
Многие из этих задач требуют, чтобы резонатор работал в непосредственной близости от других структур, особенно при измерении движения или связи механических колебаний со светом и электрическими системами. Результаты EPFL показывают, что при проектировании таких тесно интегрированных устройств необходимо учитывать захваченные заряды и диэлектрические потери, даже когда физического контакта нет. Тот же эффект может найти и практическое применение: измеряя потери энергии колебаний вблизи изолирующих поверхностей, исследователи смогут оценивать электрические потери в тонких пленках и управлять взаимодействием резонаторов с другими электрическими системами.