Des chercheurs en Suède et en Allemagne ont mis au point un nouveau type de résonateur nano-mécanique qui combine deux caractéristiques importantes : une qualité mécanique élevée et la piézoélectricité. Ce développement pourrait ouvrir la voie à de nouvelles possibilités dans les technologies de détection quantique.
Les résonateurs mécaniques sont utilisés depuis des siècles pour une multitude d’applications. Un aspect essentiel de ces dispositifs est leur capacité à vibrer à des fréquences spécifiques. Un exemple bien connu est celui du diapason. Lorsqu’il est frappé, le diapason oscille à sa fréquence de résonance, produisant une onde sonore à notre portée auditive. Grâce aux progrès des techniques de micro-fabrication, les chercheurs ont pu réduire les résonateurs mécaniques à l’échelle du micro- et du nanomètre. À ces tailles minuscules, les résonateurs oscillent à des fréquences beaucoup plus élevées et présentent une plus grande sensibilité que leurs homologues macroscopiques.
« Ces propriétés les rendent utiles dans les expériences de précision, par exemple pour détecter des forces minuscules ou des changements de masse. Récemment, les résonateurs nano-mécaniques ont suscité l’intérêt des physiciens quantiques en raison de leur utilisation potentielle dans les technologies quantiques. Par exemple, l’utilisation d’états quantiques du mouvement améliorerait encore la sensibilité des résonateurs nano-mécaniques », indique Witlef Wieczorek, professeur de physique à l’université de technologie de Chalmers et chef de projet de l’étude.
Une exigence commune à ces applications est que les résonateurs nano-mécaniques doivent maintenir leur oscillation pendant de longues périodes sans perdre leur énergie. Cette capacité est quantifiée par le facteur de qualité mécanique. Un facteur de qualité mécanique élevé implique également que le résonateur présente une sensibilité accrue et que les états quantiques du mouvement vivent plus longtemps. Ces propriétés sont très recherchées dans les applications de détection et de technologie quantique.
À la recherche d’un matériau doté d’un facteur de haute qualité et d’une piézoélectricité intégrée
La plupart des résonateurs nano-mécaniques les plus performants sont fabriqués à partir de nitrure de silicium soumis à des contraintes de traction, un matériau connu pour ses qualités mécaniques exceptionnelles. Cependant, le nitrure de silicium est assez « ennuyeux » à d’autres égards : il ne conduit pas l’électricité, n’est pas magnétique et n’est pas piézoélectrique. Cette limitation a constitué un obstacle dans les applications qui nécessitent un contrôle in situ ou l’interfaçage de résonateurs nano-mécaniques avec d’autres systèmes. Pour répondre à ces besoins, il est alors nécessaire d’ajouter un matériau fonctionnel au nitrure de silicium. Toutefois, cet ajout tend à réduire le facteur de qualité mécanique, ce qui limite les performances du résonateur.
Des chercheurs de l’université technologique de Chalmers et de l’université de Magdebourg, en Allemagne, ont fait un grand pas en avant en démontrant un résonateur nano-mécanique fait de nitrure d’aluminium étiré, un matériau piézoélectrique qui maintient un facteur de qualité mécanique élevé.
« Les matériaux piézoélectriques convertissent les mouvements mécaniques en signaux électriques et vice versa. Cela peut être utilisé pour la lecture directe et le contrôle du résonateur nano-mécanique dans les applications de détection. Ils peuvent également être utilisés pour interfacer les degrés de liberté mécanique et électrique, ce qui est important pour la transduction de l’information, même jusqu’au régime quantique », explique Anastasiia Ciers, spécialiste de la recherche en technologie quantique à Chalmers et auteur principal de l’étude publiée dans la revue Advanced Materials.
Le résonateur en nitrure d’aluminium a atteint un facteur de qualité de plus de 10 millions. « Cela suggère que le nitrure d’aluminium soumis à des contraintes de traction pourrait constituer une nouvelle plate-forme matérielle puissante pour les capteurs ou transducteurs quantiques », déclare Witlef Wieczorek.
Les chercheurs ont maintenant deux objectifs majeurs : améliorer encore le facteur de qualité des dispositifs et travailler sur des conceptions réalistes de résonateurs nano-mécaniques qui leur permettent d’utiliser la piézoélectricité pour des applications de détection quantique.
Les résonateurs nano-mécaniques à base de nitrure d’aluminium
Les chercheurs ont utilisé un film de nitrure d’aluminium de 295 nanomètres d’épaisseur soumis à une forte contrainte pour fabriquer leurs résonateurs nano-mécaniques. La contrainte était d’environ 1GPa, ce qui équivaut à faire tenir en équilibre deux éléphants sur un ongle.
Les chercheurs ont utilisé cette contrainte élevée dans le cadre d’une technique appelée « dilution de la dissipation », qui augmente le facteur de qualité mécanique.
Le film de nitrure d’aluminium a été cultivé de manière épitaxiale sur un substrat de silicium, ce qui garantit une qualité cristalline élevée du film afin de préserver la piézoélectricité du nitrure d’aluminium. Les chercheurs ont créé un nouveau modèle de résonateur, appelé « triangline », qui ressemble à une structure fractale avec un tampon central en forme de triangle. Ce résonateur triangulaire peut maintenir une seule oscillation quantique cohérente à température ambiante, ce qui constitue une référence importante pour son application dans la technologie quantique.
Légende illustration : L’image montre une illustration d’un résonateur nano-mécanique triangulaire réalisé dans un matériau piézoélectrique. La partie centrale du résonateur a la forme d’un triangle qui se déplace de haut en bas et agit en même temps comme un miroir pour réfléchir un faisceau laser. Le résonateur est suspendu par des câbles fins, qui sont ramifiés pour minimiser la perte d’énergie mécanique due au mouvement des lignes en triangle. Crédit : Chalmers University of Technology | Boid
Article : « Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics » – DOI: 10.1002/adma.202403155
