Физики смогли получить акустические частотные гребенки на 10 гигагерцах

Американские физики изготовили гибридную систему из нелинейного колебательного контура и акустического резонатора, связанных пьезоэлектрическим контактом. Такая комбинация позволила наделить нелинейностью акустические моды на частоте 10 гигагерц. Авторы смогли сгенерировать в своей установке когерентные акустические частотные гребенки, что в будущем поможет бороться с шумами в метрологии и сенсорах. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Механические резонаторы в последние годы все чаще используются в качестве универсального инструмента для исследования множества явлений в оптике, акустике и даже квантовой механике. Мы уже рассказывали, как они помогли физикам выявить квантовые движения в жидкости, позволили манипулировать отдельными квантами звука и стали объектом для квантового запутывания.

Особый интерес физиков привлекают нелинейные оптические резонаторы, которые открывают дорогу к множеству полезных физический явлений, начиная от параметрического усиления звука и заканчивая частотной стабилизацией. Механическая нелинейность, как правило, основана на том, что в зависимости упругих сил от деформации элементов резонатора появляются более сложные, нежели линейные, члены. Нелинейность сильнее всего проявляет себя при больших амплитудах колебаний.

Последнее становится проблемой, когда желаемые частоты резонаторов приближаются к гигагерцам. Дело в том, что высокие частоты нужны для улучшения соотношения сигнал/шум. Но чем выше частота, тем меньше амплитуда колебаний, а, значит, нелинейные эффекты пропадают. Таким образом, чисто механические резонаторы имеют фундаментальный частотный предел своей нелинейности, и ученым требуются гибридные платформы для его преодоления.

По такому пути пошли Сюй Хань (Xu Han) со своими коллегами из Йельского университета, связав механический резонатор пьезоэлектрической связью с сильно нелинейным сверхпроводящим колебательным контуром. Такая схема позволила установить керровскую нелинейность между акустическими модами на 10 гигагерцах. Чтобы продемонстрировать полезность нового устройства, ученые использовали четырехволновое смешение, чтобы сгенерировать когерентные акустические частотные гребенки, на использовании которых основан ряд технологий в метрологии и сенсорах. Вывод акустических гребенок в гигагерцовый диапазон поможет улучшить их точность.

Сверхпроводящий колебательный контур, изготовленный в работе, представлял собой 50-нанометровую пленку из смешанного нитрида титана и ниобия на сапфировой подложке, выполненную в виде разомкнутого кольца. Точка разрыва такого контура представляет собой плоский цилиндрический конденсатор, из-за чего весь контур напоминает Уробороса. Остальная, индуктивная часть кольца состояла из шести тонких дорожек, соединенных перемычками. Такая структура не только обеспечивала зависимость индуктивности от проходящего через нее тока (то есть, нелинейность), но и управление индуктивностью с помощью внешнего магнитного поля, которое физики наводили с помощью внешней катушки.

Авторы закрепляли подложку с контуром вблизи кремниевого акустического резонатора толщиной полмиллиметра, покрытого пленкой нитрида алюминия толщиной 550 нанометров. Пленка выполняла функции пьезоэлектрической связи между двумя резонаторами, а ее толщина была выбрана таким образом, чтобы эта связь была максимальна на 10 гигагерцах. Размеры акустического резонатора, в свою очередь, были таковы, чтобы свободный спектральный диапазон между его собственными модами был равен 9,1 мегагерца. Температура в течение всего эксперимента поддерживалась на уровне 900 милликельвин.

Для возбуждения системы физики облучали ее микроволнами с помощью петлевой антенны. Она же играла роль приемника, позволяя считывать информацию о возбуждаемых в резонаторах модах. В результате накачки сильная связь искажала собственный спектр акустического резонатора, нарушая равномерное расположение мод на частотной шкале, однако, управляя внешним магнитным полем и частотой накачки, физики нашли режим, в котором сильная резонансная мода имела две соседние акустические моды справа и слева на одинаковом расстоянии.

Такие условия благоприятны для каскадного четырехволнового смешения. Оно заключается в появлении множества дополнительных частотных компонент (как в область больших, так и меньших частот), отличающихся от исходных на разницу их частот. Каскадность проявляется в том, что каждая новая частота открывает новый шаг расширения частотной гребенки. Максимальный эффект авторы увидели при частоте накачки 10,191 гигагерца и магнитном поле 0,72 миллитесла. Свободный спектральный диапазон гребенки при этом уменьшился до 6,4 мегагерца.

Физики убедились в когерентности гребенки. Для этого они пропустили сигнал через преобразователь, понижающий частоты в 40 раз, и вывели его на осциллоскоп. Прибор показал характерные устойчивые биения, подгонка которых суммой синусоид позволила извлечь фазы каждой компоненты. Другим доказательством когерентности стало смешивание гребенки с помощью радиочастотного диода, которое сохранило резкие частотные пики благодаря сфазированности компонент.

Ранее мы рассказывали, как акустические гребенки получали на более низких частотах, а именно в мегагерцовом диапазоне.

Марат Хамадеев