基于机械系统的动力学行为与裂结的研究

摘要

简谐振动是自然界中广泛存在的一个基本物理现象。教科书上最经典的例子就是机械系统的简谐振动。随着现代技术的发展，将机械振子的加工做到微米纳米尺度，这个尺度的机械振子具有的特点包括:高共振频率;品质因子Q通常在103-105范围，这个值是远远高于电子共振电路的。这些特点使得机械振子非常适合应用到各种技术，诸如传感器，致动器等。
　　当机械系统在微纳尺度的时候，相应的控制与探测工作也将在微观尺度展开。典型的成熟技术比如原子力显微镜与力探测磁共振显微镜，利用微机械系统通过原子间作用力与自旋梯度磁场力，分别实现了原子尺度的成像与纳米尺度的成像。这些成像技术，展示了可以利用微观系统与机械振子的耦合的方法，通过机械系统来得出微观系统的信息。因此，探究机械振子与其他的耦合系统将在精密测量方面具有重要的意义。我们围绕机械系统展开了本文的相关的理论与实验研究。主要分为如下的工作:
　　1.我们搭建了一套力探测的实验平台，并实现了可以对微米尺度的机械振子的运动进行观测。在实验的过程中有限元分析的经验对我们实验有一些帮助性的结果，我们也放在了论文当中。
　　2.基于上述平台，我们设计了两个机械振子耦合的系统的动力学实验方案，该方案可以实现全机械系统的电磁诱导透明、奥特勒汤斯效应与法诺共振。在这三个现象中，我们对电磁诱导透明与奥特勒汤斯效应进行了定量化的区分。
　　3.利用机械系统的致动，我们提出了一种新方法来形成裂结。对于裂结的形成，该方法具有高带宽与高度集成的特性，对将来裂结作为传感器与单分子器件方向上具有潜在的突破性的帮助。

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摘要

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第1章 绪论

1．1 自旋量子比特与机械系统

1．1．1 单电子自旋的机械探测

1．1．2 核自旋的机械探测

1．1．3 氮空位缺陷与机械耦合

1．1．4 强磁耦合机械探测

1．1．5 纳米尺度磁共振成像和潜在实际应用

1．2 原子、离子、分子耦合机械系统

1．2．1 直接机械耦合

1．2．2 自由空间光机械耦合

1．3 超导设备与机械

1．4 原子点接触与机械

1．5 小结

第2章 力探测平台

2．1 理论

2．1．1 一个经典的机械简谐振子

2．1．2 耦合机械振子的模式

2．1．3 量子简谐机械振子

2．1．4 热噪声谱

2．2 室温力探测平台的搭建

2．2．1 悬臂梁的设计

2．2．2 光纤干涉仪

2．2．3 真空系统

2．2．4 探测信号

2．3 有限大小电容的计算与仿真

2．3．1 理论计算

2．3．2 有限元模拟

第3章 机械系统中的电磁诱导透明、奥特勒汤斯效应与法诺共振

3．1 背景

3．2 实验方案的计算

3．2．1 弱驱动

3．2．2 强驱动

3．2．3 介于两者间的驱动

3．2．4 法诺共振

3．3 实验参数预估

3．4 讨论

第4章 高带宽可集成的基于热致动器的可控裂结

4．1 背景

4．2 结构与模型

4．3 结果与讨论

4．4 小结

第5章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果