Oberflächenphysik in SiN-Membranen mit ultrahohen Güten

Die letzten zwei Jahrzehnte haben eine dramatische Verbesserung in der Herstellung und Leistung von nanomechanischen Resonatoren erlebt. Insbesondere wurde der Qualitätsfaktor (Q) von nanomechanischen Siliziumnitrid (SiN) Resonatoren um mehr als 5 Größenordnungen verbessert und erreicht nun Werte nahe einer Milliarde bei Raumtemperatur. Ziel dieser Arbeit ist es, ein vollständiges Verständnis der verbleibenden Dämpfungsmechanismen in solchen SiN Resonatoren zu erlangen und Q um eine weitere Größenordnung zu verbessern. Nanomechanische Resonatoren mit diesem Grad an Kohärenz und Kraftempfindlichkeit stellen einen bedeutenden Schritt nach vorne dar, um eine Reihe von visionären Durchbruchsexperimenten in der Grundlagenphysik zu ermöglichen. Die drastische Verbesserung von Q in nanomechanischen SiN Resonatoren seit der Entdeckung der Dissipationsverdünnung vor mehr als einem Jahrzehnt beruhte ausschließlich auf der Optimierung des Gerätedesigns. Im Gegensatz dazu wurde die eigentliche zugrunde liegende Dissipation, die verdünnt wird, nicht detailliert untersucht und hat keine Verbesserungen erfahren. Es hat sich gezeigt, dass Oberflächenverluste letztlich Q in SiN Resonatoren begrenzen. Ziel dieses Projekts ist es, die Oberflächenverluste von SiN zu untersuchen und machbare Strategien zu entwickeln, um diese Verluste zu beseitigen. Als Ergebnis unserer Bemühungen hoffen wir, erstmals eine quantenbegrenzte Rasterkraftmikroskopie mit dem kürzlich entwickelten Membran-AFM-Setup zu erreichen. Dieses Instrument wird für das Quanten-Sensing (Elektronenspindetektion) und die Quantensignalübertragung (parametrische Kopplung zwischen verschiedenen Membranmodi) eingesetzt. Dieser Vorschlag stellt eine Schnittmenge von Nanoskalenphysik, Quantensensorik und Oberflächenchemie dar. Letztere, obwohl von enormer Bedeutung für viele wissenschaftliche und industrielle Bereiche, hat wenig Aufmerksamkeit als Mittel zur Verbesserung der Leistung von Quantenkraftsensoren erhalten. Wir identifizieren mehrere sehr vielversprechende Wege, um eine Oberflächenpassivierung oder Funktionalisierung von SiN optomechanischen Geräten zu erreichen. Jenseits der innovativen Gerätebehandlung führen wir völlig neue Methoden zur Charakterisierung der Oberflächen von SiN Resonatoren ein. Das Team der TU Wien führt die ultrasensitive photothermische UV-Vis- und IR-Spektroskopie ein, die die chemische Analyse einzelner Oberflächenmonolagen ermöglicht. Das Team der ETH Zürich schlägt ein "dielektrisches Kraftmikroskop" vor, das den ultrasensitiven mechanischen Resonator als Sensor für Spitzen-Oberflächen- Wechselwirkungen nutzt. Mit diesem Instrument werden wir Zugang zu Informationen mit Nanometerauflösung über die Dicke und Zusammensetzung der Oberflächenschicht erhalten, einschließlich möglicher Identifikation relevanter Zwei-Niveau-Defekte. In Kombination mit traditionelleren Charakterisierungsmethoden wird uns diese Methode erlauben, tiefer als je zuvor in den mikroskopischen Ursprung der Dissipation einzudringen, die eine große Klasse von nanomechanischen Geräten begrenzt. Die vorgeschlagene Forschung wird von Univ.-Prof. Dr. Silvan Schmid und Dr. Robert G. West von der TU Wien und Dr. Alexander Eichler von der ETH Zürich in enger Zusammenarbeit mit Dr. John Abendroth von der ETH Zürich durchgeführt.