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Ultra-coherent nanomechanical resonators via soft clamping and dissipation dilution

机译:超连贯的纳米机械谐振器通过软钳位和   耗散稀释

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摘要

The small mass and high coherence of nanomechanical resonators render themthe ultimate force probe, with applications ranging from biosensing andmagnetic resonance force microscopy, to quantum optomechanics. A notoriouschallenge in these experiments is thermomechanical noise related to dissipationthrough internal or external loss channels. Here, we introduce a novel approachto defining nanomechanical modes, which simultaneously provides strong spatialconfinement, full isolation from the substrate, and dilution of the resonatormaterial's intrinsic dissipation by five orders of magnitude. It is based on aphononic bandgap structure that localises the mode, without imposing theboundary conditions of a rigid clamp. The reduced curvature in the highlytensioned silicon nitride resonator enables mechanical $Q>10^{8}$ at $ 1\,\mathrm{MHz}$, yielding the highest mechanical $Qf$-products($>10^{14}\,\mathrm{Hz}$) yet reported at room temperature. The correspondingcoherence times approach those of optically trapped dielectric particles.Extrapolation to $4{.}2$ Kelvin predicts $\sim$quanta/ms heating rates, similarto trapped ions.
机译:纳米机械共振器的小质量和高相干性使其成为最终的力探针,其应用范围从生物传感和磁共振力显微镜到量子光力学。这些实验中一个臭名昭著的挑战是与通过内部或外部损耗通道进行散热有关的热机械噪声。在这里,我们介绍了一种定义纳米力学模式的新颖方法,该方法同时提供了强大的空间限制,与基板的完全隔离以及将谐振器材料的固有耗散稀释了五个数量级。它基于声子带隙结构,可在不施加刚性夹具边界条件的情况下定位模式。高张力氮化硅谐振器的曲率减小,使得机械$ Q> 10 ^ {8} $为$ \\ mathrm {MHz} $,从而产生最高的机械$ Qf $-产品($> 10 ^ {14} \ ,\ mathrm {Hz} $)尚未在室温下报告。相应的相干时间接近光学捕获的电介质粒子的相干时间。外推至$ 4 {。} 2 $ Kelvin预测与捕获离子相似的\ sim $量子/ ms加热速率。

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