В вибрирующей системе рассеяние энергии количественно определяется добротностью. Если добротность резонатора высока, механическая энергия будет рассеиваться с очень низкой скоростью, и поэтому резонатор будет чрезвычайно точным при измерении или обнаружении объектов, что позволяет этим системам стать очень чувствительными датчиками массы и силы, а также захватывающие квантовые системы.Возьмем, к примеру, гитарную струну и заставим ее вибрировать. Вибрация, создаваемая струной, резонирует в корпусе гитары.
Поскольку колебания тела сильно связаны с окружающим воздухом, энергия вибрации струны будет более эффективно рассеиваться в окружающей ванне, увеличивая громкость звука. Распад, как известно, линейный, так как не зависит от амплитуды колебаний.Теперь возьмите гитарную струну и уменьшите ее до нанометрового размера, чтобы получить наномеханический резонатор.
В этих наносистемах было обнаружено, что диссипация энергии зависит от амплитуды вибрации, что описывается как нелинейное явление, и до сих пор не было доказано, что предложенная теория правильно описывает этот процесс диссипации.В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology, исследователи ICFO Йоханнес Гуттингер, Адриен Нури, Питер Вебер, Камилла Лагойн, Джоэл Мозер, возглавляемые профессором ICFO Адрианом Бахтольдом, в сотрудничестве с исследователями из Технологического университета Чалмерса и ETH Zurich, нашли объяснение нелинейного процесса диссипации с помощью наномеханического резонатора на основе многослойного графена.
В своей работе группа исследователей использовала наномеханический резонатор на основе графена, хорошо подходящий для наблюдения нелинейных эффектов в процессах затухания энергии, и измерила его с помощью сверхпроводящего микроволнового резонатора. Такая система способна обнаруживать механические колебания за очень короткий период времени, а также является достаточно чувствительной, чтобы обнаруживать минимальные смещения и в очень широком диапазоне амплитуд колебаний.Команда взяла систему, вынудила ее выйти из равновесия с помощью движущей силы, а затем отключила силу, чтобы измерить амплитуду колебаний по мере того, как энергия системы распадалась.
Они выполнили более 1000 измерений для каждого следа затухания энергии и смогли заметить, что по мере затухания энергии колебательной моды скорость затухания достигает точки, где она резко изменяется до более низкого значения. Большее затухание энергии при колебаниях большой амплитуды можно объяснить с помощью модели, в которой измеренная мода колебаний «гибридизируется» с другой модой системы, и они затухают в унисон.
Это эквивалентно соединению гитарной струны с корпусом, хотя в случае графенового нанорезонатора связь нелинейна. По мере того, как амплитуда колебаний уменьшается, скорость внезапно меняется, и моды разъединяются, что приводит к сравнительно низким скоростям затухания, таким образом, к очень гигантским факторам качества, превышающим 1 миллион. Это резкое изменение в распаде никогда не было предсказано или измерено до сих пор.
Таким образом, результаты, достигнутые в этом исследовании, показали, что нелинейные эффекты в графеновых наномеханических резонаторах проявляют эффект гибридизации при высоких энергиях, который, если его контролировать, может открыть новые возможности для манипулирования колебательными состояниями, создания гибридных состояний с механическими модами при совершенно разных частот, и для изучения коллективного движения хорошо настраиваемых систем.