압전 기능이 내장된 고품질 나노기계 공진기

스웨덴의 찰머스 공과대학과 독일의 마그데부르크 대학의 연구원들은 두 가지 중요한 특징인 높은 기계적 품질과 압전성을 결합한 새로운 유형의 나노기계 공진기를 개발했습니다. 이 개발은 양자 감지 기술에서 새로운 가능성의 문을 열 수 있습니다.

기계적 공진기는 수세기 동안 다양한 용도로 사용되어 왔습니다. 이러한 장치의 핵심 측면은 특정 주파수에서 진동할 수 있는 능력입니다. 잘 알려진 예로는 튜닝 포크가 있습니다. 튜닝 포크를 두드리면 공진 주파수에서 진동하여 우리의 청각 범위 내에서 음파를 생성합니다. 미세 가공 기술의 발전으로 연구자들은 기계적 공진기를 마이크로 및 나노미터 규모로 축소할 수 있었습니다. 이러한 작은 크기에서 공진기는 훨씬 더 높은 주파수에서 진동하고 거시적인 대응 제품에 비해 더 큰 감도를 보입니다.

"이러한 특성으로 인해 미세한 힘이나 질량 변화를 감지하는 것과 같은 정밀 실험에 유용합니다. 최근 나노기계 공진기는 양자 기술에서의 잠재적인 사용으로 인해 양자 물리학자들 사이에서 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 예를 들어, 양자 운동 상태를 사용하면 나노기계 공진기의 감도가 더욱 향상될 것입니다." 찰머스 공과대학 물리학 교수이자 이 연구의 프로젝트 리더인 위틀레프 비에초렉이 말했습니다.

이러한 응용 분야에 대한 일반적인 요구 사항은 나노기계 공진기가 에너지를 잃지 않고 장시간 진동을 유지해야 한다는 것입니다. 이 능력은 기계적 품질 계수로 정량화됩니다. 큰 기계적 품질 계수는 또한 공진기가 향상된 감도를 나타내고 양자 운동 상태가 더 오래 지속됨을 의미합니다. 이러한 특성은 감지 및 양자 기술 응용 분야에서 매우 많이 요구됩니다.

고품질 인자와 내장된 압전성을 갖춘 소재를 찾아

성능이 가장 좋은 나노기계 공진기의 대부분은 뛰어난 기계적 품질로 알려진 재료인 인장 변형 실리콘 질화물로 만들어집니다. 그러나 실리콘 질화물은 다른 측면에서 매우 "지루합니다". 전기를 전도하지 않고 자기적이거나 압전적이지 않습니다. 이러한 제한은 나노기계 공진기를 다른 시스템에 대한 현장 제어 또는 인터페이싱이 필요한 응용 분야에서 장애물이 되었습니다. 이러한 요구 사항을 해결하려면 실리콘 질화물 위에 기능성 재료를 추가해야 합니다. 그러나 이러한 추가는 기계적 품질 계수를 감소시키는 경향이 있어 공진기의 성능을 제한합니다.

이제 독일 칼머스 공과대학과 마그데부르크 대학의 연구자들은 높은 기계적 품질 계수를 유지하는 압전 소재인 인장 변형 알루미늄 질화물로 만든 나노기계 공진기를 개발하면서 큰 진전을 이루었습니다.

"압전 재료는 기계적 운동을 전기 신호로 변환하고 그 반대도 가능합니다. 이는 감지 응용 분야에서 나노기계 공진기의 직접 판독 및 제어에 사용할 수 있습니다. 또한 기계적 및 전기적 자유도의 인터페이싱에도 사용할 수 있으며, 이는 양자 영역까지 정보 전달에 관련이 있습니다."라고 Chalmers의 양자 기술 연구 전문가이자 Advanced Materials에 게재된 연구의 주저자인 Anastasiia Ciers가 말했습니다.

알루미늄 질화물 공진기는 1,000만이 넘는 품질 계수를 달성했습니다.

"이것은 인장 변형 알루미늄 질화물이 양자 센서 또는 양자 변환기를 위한 강력한 신소재 플랫폼이 될 수 있음을 시사합니다"고 Witlef Wieczorek은 말합니다.

연구자들은 현재 두 가지 주요 목표를 가지고 있습니다. 첫째, 소자의 품질 계수를 더욱 개선하고, 둘째, 압전성을 양자 감지 응용 분야에 활용할 수 있는 현실적인 나노기계 공진기 설계를 연구하는 것입니다.

알루미늄 질화물 기반 나노 기계 공진기에 관하여

연구자들은 나노기계 공진기를 제작하기 위해 높은 응력을 받은 295나노미터 두께의 알루미늄 질화물 필름을 사용했습니다. 응력은 약 1GPa로, 손톱 위에 코끼리 두 마리를 올려놓은 것과 같습니다. 연구자들은 이 높은 응력을 소산 희석이라는 기술에 사용하여 기계적 품질 계수를 높였습니다. 알루미늄 질화물 필름은 실리콘 기판에 에피택셜 성장되어 알루미늄 질화물의 압전성을 보존하기 위해 필름의 높은 결정 품질을 보장합니다. 그들은 삼각형 모양의 패드가 중앙에 있는 프랙탈과 같은 구조처럼 보이는 트라이앵글라인이라는 새로운 공진기 디자인을 만들었습니다. 이 삼각형 라인 공진기는 실온에서 단일 양자 코히런트 진동을 유지할 수 있으며, 이는 양자 기술에 적용하기 위한 중요한 벤치마크입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241105114152.htm