受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的量子納米機械諧振器

量子技術(shù)是未來的科技解決方案，但其微小尺寸也導(dǎo)致更高的干擾敏感性。不過，相關(guān)研究團隊找到了一種解決方法：仿生蜘蛛網(wǎng)！他們設(shè)計了一種蜘蛛網(wǎng)形狀的納米機械諧振器，實現(xiàn)超低耗散，讓制造量子設(shè)備變得像在自家餐桌上測量一樣簡便。

而基于上述研究基礎(chǔ)，虹科推出了多功能FPGA板卡STEMlab，助力量子設(shè)備制造。更多有關(guān)內(nèi)容，讓我們在本期一起探索吧！

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量子發(fā)展的挑戰(zhàn)

量子技術(shù)一直在追求更快、更小、更精確的高科技解決方案。然而，系統(tǒng)中極小尺寸的組成使其更容易受到來自外部機械和其他干擾的影響。因此，業(yè)界通常會使用冷卻至接近絕對零度（-273.15°C）的低溫制冷來阻止熱噪聲進入系統(tǒng)。不過這也同時帶來了新問題——該方法使用的設(shè)備常常笨重且耗電。

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蜘蛛網(wǎng)的機械

奇跡：量子技術(shù)的新突破

但如果有一種方法可以通過機械隔離系統(tǒng)來避免熱運動的干擾呢？這將減少或消除對低溫設(shè)施的需求，使量子設(shè)備的制造變得更簡單、更實惠。大多數(shù)先前的模型都是基于1D諧振模型，主要是因為它們相對簡單的設(shè)計規(guī)則。機械隔離程度由Qm表示，即諧振器內(nèi)存儲的能量與一個振蕩周期內(nèi)耗散的能量之比。從量子技術(shù)的角度來看，這是納米機械諧振器在一個聲子（振動的量子）熱噪聲進入并產(chǎn)生諧振器量子特性失真之前能夠進行的平均相干振蕩次數(shù)。

為了優(yōu)化Qm比值，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究團隊在大自然的機械奇跡之一——蜘蛛網(wǎng)中尋找到了靈感。專家們一致認(rèn)為，除了其出色的結(jié)構(gòu)特性外，蜘蛛網(wǎng)還是卓越的振動傳感器。蜘蛛網(wǎng)可以讓蜘蛛察覺到網(wǎng)內(nèi)的運動，但不能察覺到網(wǎng)外的運動，這使其成為一個出色的機械隔離環(huán)境。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊使用貝葉斯優(yōu)化運行了不同的仿真配置。考慮到由高應(yīng)力氮化硅制成的梁或線，其厚度可以薄到20納米（與蜘蛛網(wǎng)絲的毫米級厚度相比）。結(jié)果是在134.9千赫茲下獲得了超過17.5億的最優(yōu)品質(zhì)因子Qm，這是一個看似簡單的結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

圖1

令人驚訝的是，這個品質(zhì)因子的實現(xiàn)并不需要比微米還小的系帶寬度，由此讓制造變得更快、更便宜。納米機械諧振器采用58納米厚的高應(yīng)力（1.07 GPa）Si3N4制造，通過低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）在硅襯底上進行。

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實驗成果：制造低耗散

高QM設(shè)備的關(guān)鍵

為了驗證性能并與仿真結(jié)果進行比較，研究團隊還設(shè)計了一個測試裝置，通過環(huán)形衰減測量來實驗性地確定系統(tǒng)的品質(zhì)因子，其中諧振器的振幅衰減速率是能量耗散和機械品質(zhì)因子的指標(biāo)。所有這些都是在真空條件下進行的，以避免氣體阻尼。下圖顯示了制造過程和機械特性測試裝置的示意圖。

圖2

所有測量都是使用定制的平衡同相干檢測干涉儀進行的。機械位移使用與光纖耦合的紅外激光（1550納米）進行探測。將壓電板連接到樣品臺上，以實現(xiàn)對器件的機械驅(qū)動。局部振蕩器信號的相位由光纖拉伸器控制，由PID控制器驅(qū)動。虹科多功能FPGA板卡STEMlab 125-14執(zhí)行了這一功能，具有靈活的I/O配置。使用平衡光電探測器測量的信號作為反饋環(huán)路的誤差信號，穩(wěn)定了干涉儀的低頻波動。

綜上所述，通過基于仿真優(yōu)化的設(shè)計蜘蛛網(wǎng)形狀的納米機械諧振器，可以在室溫環(huán)境下實現(xiàn)超低耗散，從而制造出具有較小長寬比的高Qm設(shè)備，優(yōu)化制造過程。