Создан акустический аналог «нобелевской» частотной гребенки

Ученые из Кембриджского Университета создали микромеханическое фононное устройство — вибрационный эквивалент оптической частотной гребенки, которая произвела революцию в области высокоточных измерений в начале 2000-х годов. Описание эксперимента опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Оптическая гребенка», разработанная Джоном Холлом и Теодором Хэншем, за которую они получили половину Нобелевской премии по физике за 2005 год, — особый тип излучения, которое состоит из достаточно большого числа отдельных спектральных линий, отстоящих друг от друга на равную фиксированную частоту (поэтому спектр такого излучения и напоминает гребенку). Она обеспечивает точность измерений, необходимых в атомных часах и других высокоточных устройствах, и используется, например, для поиска экзопланет и других исследований космоса.

В новой работе исследователи получили фононную частотную гребенку, которая производит спектр вибраций с таким же распределением частот, какое выдает оптическая гребенка. Открытие было сделано почти случайно — на самом деле, исследователи не ставили целью создать аналог оптической гребенки, а изучали поведение фононов (квантов колебательных движений атомов) в кристаллической решетке пластины кремния. Экспериментальная конструкция представляла собой пластину, прикрепленную к опорной конструкции в двух местах, таким образом, что она могла вибрировать в ответ на колебательное напряжение. Ученые наблюдали вибрацию пластины путем измерения параметров отраженного от поверхности пластины лазерного луча — таким образом они могли измерить пространственную структуру и частоты фононов.

Ученые обнаружили, что при применении исходного колебательного напряжения с определенными частотами реакция пластины в местах с наибольшей амплитудой движения имела форму частотной гребенки. Так, для входной частоты 3,862 МГц спектр вибрации показал несколько пиков, разделенных на 2,6 кГц. В поисках причин неожиданного открытия исследователи нашли теоретические выкладки немецких ученых 2014 года с описанием схемы создания фононной гребенки. Исследователи Гамбургского университета изучали так называемые цепи Ферми-Паста-Улама (FPU) — наборы масс, соединенных струнами, моделирующие поведение фотонов в кристаллической решетке. Возвратные силы этих структур зависят не только от длины, на которую они растянуты, но также от степеней этой длины (квадрата и куба). Колебания цепи представляют одноразмерные фононы, а нелинейность структуры позволяет фононам взаимодействовать между собой и создавать новые фононы с новыми частотами. Немецкие ученые показали в теории, что колебание одного конца цепи FPU с частотой, которая отличается от суммы резонирующих частот узлов цепи, образует частотную гребенку.

Оказалось, что хотя модель цепей FPU не охватывает всей сложности фононного поведения в пластине, она дает объяснение возникновению эффекта частотной гребенки, который ученые наблюдали в своем эксперименте. Так же, как в модели FPU, для получения гребенки исходная частота должна была отличаться от суммы частот фононов в пластине — при соблюдении этого условия возникал гребеночный спектр с предсказуемым расстоянием между пиками. Вариации параметров гребенки при изменении частоты и силы исходного колебания также следовали предсказаниям FPU-модели.

Главная сложность эксперимента заключалась в определении нужной исходной частоты колебания — частотная гребенка возникала только при превышении силой исходных колебаний определенного порогового значения. Ученые надеются усовершенствовать экспериментальную установку для более эффективного получения частотных гребенок.

Немецкие исследователи согласны с тем, что эксперимент британских ученых подтвердил их теоретические расчеты. Они также отмечают, что поскольку частотная гребенка создает дополнительный набор фононов, передающих колебательную энергию по пластине, устройство имеет потенциальную возможность поглощать эту энергию, повышая собственную эффективность.

Новое устройство может быть применено в микро- и нано-электромеханических системах, где частотные интервалы гребенки обеспечат точные и стабильные стандарты частот даже более низких, чем фононные частоты. Такие свойства будут особенно ценными для обнаружения изменений в длительных временных интервалах — например в гравиметрах, измеряющих медленные изменения гравитационного поля Земли.