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Demonstration of suppressed phonon tunneling losses in phononic bandgap shielded membrane resonators for high-Q optomechanics

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This post, leveraging AI, summarizes and analyzes the key aspects of the research paper “Demonstration of suppressed phonon tunneling losses in phononic bandgap shielded membrane resonators for high-Q optomechanics”. For in-depth information, please refer to the original PDF.


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English Summary

This paper focuses on suppressing phonon tunneling losses in membrane resonators by integrating a phononic bandgap shield into their silicon frames. The researchers patterned the frame with one-dimensional structures, creating a phononic structure that tailors the density of phononic states within the membrane frame. By patterning the elastic material and removing parts, they achieved a modulation of the phononic potential landscape through which a bandgap was formed in the phonon dispersion. This modification allowed them to suppress dissipation from the membrane mode into modes of its frame. They quantified this suppression using optical interferometry measuring both transmission and influence on sample clamping conditions for the membrane modes. The researchers demonstrated that phononic bandgap shields can eliminate dependence on delicate mounting solutions by suppressing dissipation through phonon tunneling, achieving suppressed transmission up to 40 dB and consistently observing significant suppression of frame clamping conditions’ influence on membrane modes if the mode frequency lies in the bandgap. They also achieved high quality factors for mechanical resonators with samples that are tightly bolted to cold fingers, resulting in Q × f-products of 6 × 10^12 Hz at room temperature and 14 × 10^12 Hz at cryogenic temperatures satisfying one requirement for optical cooling of mechanical vibrations to their quantum ground state.

Key Technical Terms

Below are key technical terms and their explanations to help understand the core concepts of this paper. You can explore related external resources via the links next to each term.

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Demonstration of suppressed phonon tunneling losses in phononic bandgap shielded membrane resonators for high-Q optomechanics Yeghishe Tsaturyan1, Andreas Barg1, Anders Simonsen1,2013 Luis Guillermo Villanueva2, Silvan Schmid2, Albert Schliesser1 and Eugene S. Polzik1 1 Niels Bohr Institute, Copenhagen University, Blegdamsvej 17, 2100 Copenhagen, Denmark 2 Department of Micro- and Nanotechnology, Technical University of Denmark, 2800 KongensDec Lyngby, Denmark albert.schliesser@nbi.dk30 polzik@nbi.dk Abstract: Dielectric membranes with exceptional mechanical and optical properties present one of the most promising platforms in quantum opto- mechanics. The performance of stressed silicon nitride nanomembranes as mechanical resonators notoriously depends on how their frame is clamped to the sample mount, which in practice usually necessitates delicate, and difficult-to-reproduce mounting solutions. Here, we demonstrate that a phononic bandgap shield integrated in the membrane’s silicon frame eliminates this dependence, by suppressing dissipation through phonon tunneling. We dry-etch the membrane’s frame so that it assumes the form of a cm-sized bridge featuring a 1-dimensional periodic pattern, whose phononic density of states is tailored to exhibit one, or several, full band[cond-mat.mes-hall] gaps around the membrane’s high-Q modes in the MHz-range. We quantify the effectiveness of this phononic bandgap shield by optical interferometry measuring both the suppressed transmission of vibrations, as well as the influence of frame clamping conditions on the membrane modes. We find suppressions up to 40 dB and, for three different realized phononic structures, consistently observe significant suppression of the dependence of the membrane’s modes on sample clamping—if the mode’s frequency lies in the bandgap. As a result, we achieve membrane mode quality factors of 5 × 106 with samples that are tightly bolted to the 8 K-cold finger of a cryostat. Q × f-products of 6 × 1012 Hz at 300 K and 14 × 1012 Hz at 8 K are observed, satisfying one of the main requirements for optical…

🇰🇷 한국어 보기 (View in Korean)

한글 요약 (Korean Summary)

이 논문은 Phononon Bandgap Shield를 실리콘 프레임에 통합하여 막 공진기의 포논 터널링 손실을 억제하는 데 중점을 둡니다. 연구원들은 1 차원 구조로 프레임을 패턴 화하여 막 프레임 내에서 음성 상태의 밀도를 조정하는 포닉 구조를 만듭니다. 탄성 재료를 패턴 화하고 부품을 제거함으로써, 그들은 포논 분산에서 밴드 갭이 형성되는 음성 잠재적 환경의 변조를 달성했다. 이 변형을 통해 멤브레인 모드에서 프레임 모드로 소산을 억제 할 수있었습니다. 그들은 막 모드의 샘플 클램핑 조건에 대한 전송 및 영향을 측정하는 광학 간섭계를 사용하여 이러한 억제를 정량화 하였다. 연구원들은 포노닉 밴드 갭 방패가 포논 터널링을 통한 소산을 억제하고 최대 40dB의 억제 된 전송을 달성함으로써 섬세한 장착 솔루션에 대한 의존성을 제거 할 수 있으며, 모드 주파수가 대역 GAP에있는 경우, 모드 주파수가 멤브레인 모드에 대한 프레임 클램핑 조건의 영향을 지속적으로 관찰함으로써 섬세한 장착 솔루션에 의존성을 제거 할 수 있음을 보여 주었다. 또한 차가운 손가락에 단단히 볼트로 고정 된 샘플을 갖는 기계식 공진기의 고품질 공진기에 대한 고품질 인자를 달성하여 실온에서 6 × 10^12 Hz의 Q × F- 제품 및 극저온 온도에서 14 × 10^12 Hz를 양자 접지 상태로의 광학적 진동을위한 하나의 요구 사항을 충족시킵니다.

주요 기술 용어 (한글 설명)

  • Dielectric membrane
    설명 (Korean): {유전체는 전류에 대한 저항성이 높은 재료로 다양한 응용 분야에서 절연체에 이상적인 후보자가됩니다.}
    (Original English: {Dielectrics are materials with high resistance to electrical currents, making them ideal candidates for insulators in various applications.})
  • Phononic structure
    설명 (Korean): {Phononic 구조는 탄성 물질을 패턴 화함으로써 Phononic 분산 관계를 조작합니다. 지진 보호, 표면 음향파 장치, 광학적 구조를 포함하여 가능한 모든 주파수 및 길이 척도에서 사용할 수 있습니다.}
    (Original English: {Phononic structures manipulate the phononic dispersion relation by patterning elastic material. They can be used at all possible frequency and length scales, including earthquake protections, surface acoustic wave devices, optomechanical structures.})
  • Two-level systems
    설명 (Korean): {2 단계 시스템은 쌍극자 커플 링을 통해 상호 작용하는 두 가지 에너지 레벨을 가진 양자 시스템입니다.}
    (Original English: {Two-level systems are quantum systems with two energy levels that interact through dipole coupling.})
  • Phononic bandgap shields
    설명 (Korean): {Phononic Bandgaps는 1 차원 구조로 패턴 화하여 막 프레임에서 상태의 음성 밀도를 변경합니다. 그들은 프레임의 모드에서 소산을 억제하여 최대 40dB의 억압 전송을 달성하고 샘플 클램핑 조건에 따라 상당한 감소를 지속적으로 관찰합니다.}}.
    (Original English: {Phononic bandgaps alter the phononic density of states in membrane frames by patterning them with one-dimensional structures. They suppress dissipation from modes on their frame, achieving suppressed transmission up to 40 dB and consistently observing significant reductions in dependence on sample clamping conditions.})
  • Frame clamping conditions
    설명 (Korean): {프레임 클램핑 조건은 프레임을 샘플에 부착 할 때 사용되는 장착 솔루션을 나타냅니다. 그들은 때때로 프레임 내 모드에서 포논 터널링 손실을 증가시켜 기계적 Q를 제한 할 수 있습니다.}
    (Original English: {Frame clamping conditions refer to the mounting solutions employed when attaching frames to samples. They can sometimes limit mechanical Q by increasing phonon tunneling losses from modes within their frame.})

발췌문 한글 번역 (Korean Translation of Excerpt)

High-Q Optomechanics yeghishe tsaturyan1, Andreas Barg1, Anders Simonsen1,2013 Luis Guillermo Villanueva2, Silvan Schmid2, Albert Schliessation, Albert Bohr Institute에서 Phononon Bandgap Shielded Membrane 공진기에서 억압 된 포논 터널링 손실의 시연. 코펜하겐 대학교, BLEGDAMSVEJ 17, 2100 덴마크 코펜하겐 2100 덴마크 기술 대학교, 2800 Kongensdec Lyngby, 덴마크 Albert.schliesser@nbi.dk30 polzik@nbi.dk의 추상 : 가장 중요한 기계식 멤버 및 가장 많은 전제 전제를 갖는 DeLectric Membrans는 2800 Kongensdec Lyngby, 덴마크 기술 대학교, 2800 Kongensdec Lyngby, 2800 Kongensdec Lyngby. 양자 광학에서. 기계적 공진기로서 스트레스를받은 실리콘 질화물 나노 막의 성능은 샘플 마운트에 대한 프레임이 어떻게 고정되는지에 따라 달라지며, 실제로는 일반적으로 섬세하고 다른 장착 솔루션이 필요합니다. 여기, 우리는 막의 실리콘 프레임에 통합 된 포닉 밴드 갭 방패가 포논 터널링을 통한 소산을 억제함으로써 이러한 의존성을 제거한다는 것을 보여줍니다. 우리는 막의 프레임을 건조하여 1 차원주기 패턴을 특징으로하는 CM 크기의 다리의 형태를 가정합니다. 우리는 진동의 억제 된 전송뿐만 아니라 막 모드에서 프레임 클램핑 조건의 영향을 측정하는 광학 간섭계에 의해이 포닉 밴드 갭 방패의 효과를 정량화한다. 우리는 최대 40dB의 억제를보고, 3 개의 다른 실현 된 포닉 구조의 경우 모드의 주파수가 밴드 갭에있는 경우 샘플 클램핑에 대한 막의 모드의 의존성에 대한 상당한 억제를 지속적으로 관찰합니다. 결과적으로, 우리는 cryostat의 8 k-cold fitmer에 단단히 볼트로 고정 된 샘플을 사용하여 5 × 106의 멤브레인 모드 품질 요소를 달성합니다. Q × 300 K에서 6 × 1012Hz 및 8K에서 14 × 1012Hz의 F- 제품이 관찰되며, 광학에 대한 주요 요구 사항 중 하나를 만족합니다 …

Source: arXiv.org (or the original source of the paper)

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