Role of dissipation dilution in achieving high mechanical quality factors in van der Waals resonators

In de microscopische wereld van kunstmatige machines is er een constante strijd tegen wrijving. Wanneer een minuscuul mechanisch onderdeel vibreert, verliest het van nature energie aan zijn omgeving, waardoor de beweging snel wegsterft. Ingenieurs meten hoe lang een vibratie voortduurt met behulp van een waarde die de kwaliteitsfactor wordt genoemd. Een hoge kwaliteitsfactor betekent dat de vibratie helder en langdurig uitklinkt, vergelijkbaar met een perfecte bel die blijft zingen nadat hij is aangeslagen, terwijl een lage kwaliteitsfactor lijkt op een doffe klap die bijna onmiddellijk stopt. Al meer dan een decennium ontdekken wetenschappers een slimme manier om deze uitklingtijd in door de mens gemaakte structuren te verhogen. Door een materiaal strak te spannen, kunnen ze een enorme hoeveelheid energie opslaan in de spanning zelf, terwijl de energie die verloren gaat aan interne wrijving klein blijft. Deze mismatch "verdund" de verliezen effectief, waardoor de machine met buitengewone zuiverheid kan vibreren. Deze truc heeft de prestaties van standaard siliciumgebaseerde apparaten gerevolutioneerd, maar het was nog nooit succesvol toegepast op een andere klasse materialen die bekend staan als van der Waals-kristallen, die bestaan uit atomaal dunne vellen die als lagen papier uit elkaar kunnen worden gepeld.

Een team onderzoekers aan de Technische Universiteit München heeft dit krachtige concept nu naar de wereld van deze ultradunne kristallen gebracht. Ze richtten zich op een materiaal genaamd molybdeendisulfide, dat uit een enkele laag atomen bestaat die slechts een fractie van een nanometer dik is. Het team maakte minuscule, trommelachtige structuren van dit materiaal en liet deze zweven boven gaatjes in een siliciumchip. Om de trommels zo schoon mogelijk te maken, gebruikten ze een speciale techniek om de lagen eraf te pellen zonder gebruik te maken van plakkerige polymeren die vaak residu achterlaten. Vervolgens koelden ze deze trommels af tot een temperatuur van 4 Kelvin, wat slechts een paar graden boven het absolute nulpunt is, en brachten ze in trilling. De resultaten waren opmerkelijk. De enkelvoudige laag trommels bereikten een kwaliteitsfactor van 372.000, een getal dat bijna tien keer hoger is dan enig eerder record voor dit type materiaal bij zulke lage temperaturen. Deze prestatie plaatst deze atomaal dunne trommels op hetzelfde niveau als de allerbeste door de mens gemaakte mechanische resonatoren, wat bewijst dat het principe van dissipatiedilutie zelfs werkt bij de extreme limiet van een enkele moleculaire laag.

De onderzoekers hebben de vibratie niet alleen gemeten; ze bouwden een gedetailleerd model om precies te begrijpen waarom dit gebeurde. Ze ontdekten dat de enkelvoudige laag trommels ongelooflijk effectief was in het verdunnen van energieverlies omdat hun extreme dunheid betekende dat de energie opgeslagen in de rek kracht de energie die verloren ging door buiging verre overtrof. Dezezelfde dunheid kwam echter met een addertje onder het gras. Omdat het materiaal zo dun is, bevindt bijna elk atoom zich aan het oppervlak, en het oppervlak zelf introduceert een type interne wrijving dat beperkt hoe goed het materiaal op zichzelf kan vibreren. Om dit te bewijzen, vergeleken het team hun enkelvoudige laag trommels met dikkere versies gemaakt van ongeveer zevenendertig lagen. De dikkere trommels hadden een veel lagere verdunningseffect omdat ze stijver waren en minder rekenergie opsloegen in verhouding tot hun grootte. Toch vibreerden de dikkere trommels met een veel hogere intrinsieke zuiverheid omdat hun binnenste minder werd beïnvloed door oppervlakte-onvolkomenheden. Deze afweging onthulde een fundamentele waarheid: de enkelvoudige laag is het ultieme instrument voor het verdunnen van verlies, maar de dikkere stapel is beter in het verbergen van de eigen interne gebreken van het materiaal.

Om de microscopische oorsprong van deze vibraties te begrijpen, observeerde het team hoe de kwaliteitsfactor veranderde naarmate ze de trommels opwarmden van nabij het absolute nulpunt tot kamertemperatuur. Ze merkten op dat de vibratietijd aanzienlijk verbeterde naarmate de temperatuur daalde, gedreven door twee hoofdfactoren. Ten eerste, naarmate het materiaal afkoelde, nam de spanning in de trommel toe, wat het verdunningseffect verder versterkte. Ten tweede vertraagde de interne wrijving veroorzaakt door microscopische defecten binnen de kristalstructuur. De onderzoekers modelleerden deze defecten als kleine twee-niveau-systemen, wat in essentie atomen of groepen atomen zijn die in één van twee licht verschillende posities kunnen zitten. Bij hogere temperaturen springen deze defecten snel heen en weer, waardoor ze energie stelen van de vibratie. Naarmate de temperatuur daalde, vertraagden ze en kwamen ze uiteindelijk vast te zitten, waardoor de trommel met veel minder weerstand kon vibreren. Het team kwam tot de conclusie dat in de enkelvoudige laag trommels de oppervlaktedefecten de belangrijkste bron van deze wrijving waren, terwijl in de dikkere trommels de defecten in de bulk van het materiaal een grotere rol speelden.

Dit werk vestigt dat dissipatiedilutie de sturende kracht is achter de hoge prestaties van deze van der Waals-resonatoren. De studie bevestigt dat hoewel het enkelvoudige laag materiaal het meest efficiënt is in het verdunnen van verlies, de prestaties uiteindelijk worden beperkt door oppervlakte-onvolkomenheden. De onderzoekers merken op dat er nog aanzienlijke ruimte is voor verbetering, aangezien het gebruikte molybdeendisulfide slechts tot ongeveer een derde van zijn theoretische breuksterkte werd uitgerekt. Als toekomstige apparaten zo ontworpen kunnen worden dat ze een hogere spanning kunnen weerstaan, zouden de kwaliteitsfactoren potentieel nog verder kunnen stijgen, tot waarden die deze kleine trommels ideaal maken voor kwantumsensoren en voor het converteren van informatie tussen licht en mechanische beweging. Door dit verdunningseffect te combineren met andere geavanceerde technieken, zoals "soft clamping" die energieverlies bij de randen vermindert, zouden deze atomaal dunne materialen een leidend platform kunnen worden voor de volgende generatie ultra-gevoelige sensoren en kwantumtechnologieën.