Role of dissipation dilution in achieving high mechanical quality factors in van der Waals resonators
本文证明了耗散稀释使单层 MoS 谐振器在 4 K 时能够实现高达 372,000 的突破性品质因子，揭示了尽管原子级厚度会通过表面损耗限制固有性能，但多层结构可以将高稀释度与类体相品质因子相结合，从而使范德华材料成为超高品质因子量子应用的顶级平台。
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在工程化机器的微观世界中，存在着一场与摩擦力的持久战。当一个微小的机械部件发生振动时，它自然会向周围环境损失能量，导致运动迅速衰减。工程师们使用一个被称为“品质因子”（quality factor）的数值来衡量振动持续的时间。高品质因子意味着振动能够清晰且持久地回响，就像一口完美的钟在被撞击后能持续鸣响；而低品质因子则像是一声沉闷的钝响，几乎立即停止。十多年来，科学家们发现了一种在人造结构中提升这种鸣响时间的巧妙方法。通过将材料拉紧，他们可以在张力本身中储存大量的能量，同时使内部摩擦造成的能量损失保持在极小水平。这种不匹配有效地“稀释”了损耗，使机器能够以非凡的纯净度进行振动。这一技巧彻底改变了标准硅基器件的性能，但此前从未成功应用于另一类被称为范德华晶体（van der Waals crystals）的材料——这类材料由可以像剥纸层一样剥离的原子级薄片组成。
慕尼黑工业大学的一个研究小组现在已将这一强大的概念引入了这些超薄晶体的领域。他们专注于一种名为二硫化钼（molybdenum disulfide）的材料，这种材料形成的单层原子厚度仅为零点几个纳米。研究小组利用该材料制造了微小的鼓状结构，并将它们悬浮在硅芯片的孔洞之上。为了确保这些鼓尽可能洁净，他们使用了一种特殊的剥离技术，避免使用经常留下残留物的粘性聚合物。随后，他们将这些鼓冷却到 4 开尔文的温度（仅比绝对零度高出几度），并使其开始振动。结果令人瞩目：单层鼓的品质因子达到了 372,000，这一数字比以往同类材料在如此低温下的任何纪录都要高出近十倍。这一表现使得这些原子级薄鼓与最优秀的各种人造机械谐振器处于同一水平，证明了耗散稀释（dissipation dilution）原理即使在单分子层的极端极限下依然有效。
研究人员不仅测量了振动，还建立了一个详细的模型来理解其发生的精确原因。他们发现，由于极度的薄度意味着储存在拉伸力中的能量远大于弯曲时损失的能量，因此单层鼓在稀释能量损耗方面极其高效。然而，这种极度的薄度也带来了一个代价。由于材料如此之薄，几乎每个原子都位于表面，而表面本身会引入一种类型的内部摩擦，从而限制了材料自主振动的能力。为了证明这一点，团队将单层鼓与由约 37 层组成的较厚版本进行了对比。较厚的鼓由于更硬，且相对于其尺寸而言储存的拉伸能量较少，因此稀释效应显著降低。然而，较厚的鼓具有更高的固有纯度，因为其内部受表面缺陷的影响较小。这种权衡揭示了一个基本事实：单层是稀释损耗的终极工具，但较厚的堆叠则更擅长隐藏材料自身的内部缺陷。
为了理解这些振动的微观起源，团队观察了品质因子随着鼓从接近绝对零度升温至室温时的变化情况。他们观察到，随着温度下降，振动时间显著改善，这主要由两个因素驱动。首先，随着材料冷却，鼓的张力增加，进一步增强了稀释效应。其次，由晶体结构内微观缺陷引起的内部摩擦减慢了。研究人员将这些缺陷建模为“双能级系统”（two-level systems），本质上是可以在两个略微不同的位置之间切换的原子或原子团。在较高温度下，这些缺陷会快速跳跃，从而窃取振动的能量。随着温度下降，它们变得缓慢，并最终冻结在原地，从而使鼓在阻力极小的情况下进行振动。团队发现，在单层鼓中，表面缺陷是这种摩擦的主要来源，而在较厚的鼓中，体相材料内部的缺陷则起到了更大的作用。
这项工作确立了耗散稀释是这些范德华谐振器高性能背后的主导力量。研究证实，虽然单层材料在稀释损耗方面效率最高，但其性能最终受限于表面缺陷。研究人员指出，仍有巨大的提升空间，因为实验中所使用的二硫化钼仅被拉伸到了其理论断裂强度的约三分之一。如果未来的设备能够设计成承受更高的张力，品质因子可能会进一步提高，达到使这些微小鼓成为量子传感以及实现光与机械运动间信息转换理想平台的水平。通过将这种稀释效应与其他先进技术（例如减少边缘能量损耗的软夹紧技术）相结合，这些原子级薄材料有望成为下一代超灵敏传感器和量子技术的领先平台。
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