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中国科学院武汉物理与数学研究所研究员曹更玉带领的表面单分子化学物理研究组与中国科学院院士、北京计算科学研究中心讲座教授孙昌璞、研究员李勇和中科院理论物理研究所研究员易俗等合作,在微纳腔光力系统中的能量相干传递方面取得了新的研究进展,首次在实验上构造了基于动力学局域振动模式的相干光力开关,实现了耦合机械振子中能量传递速率全范围的连续调控。相关研究结果发表在Physical
Review Applied
上。

中科院强磁场科学中心薛飞研究团队提出利用微透镜光纤干涉仪探测微米线机械振子振动模式的新方案。相关成果分别以Measuring
the orientation of the flexural vibrations of a cantilevered microwire
with a micro-lens fiber-optic interferometer
和Determining the
orientation of the flexural modes of a thermally driven microwire
cantilever
为题发表于《应用物理快报》(Applied Physics
Letters
)和《应用物理杂志》(Journal of Applied Physics)。

中国科学家在纳米机电系统研究中取得系列进展

耦合微纳机械振子在精密测量物理和集成信号处理器件等方面都具有非常广泛的应用。其中,实现振子之间可控的耦合构成了这些应用的基础。但是,在实验上实现能量在机械振子之间完全可控的相干传递依然存在很大的困难。因为这一方面要求能够实现对机械振子有效耦合强度的全范围调控,另一方面要求能够始终在系统的简并点上进行操作以获得最佳的相干性。

机械振子(Mechanical Resonator)
是具有特定共振频率的机械结构,在自然界中的普遍存在,小到分子尺度,大到星系宇宙,都能找到它的身影。在日常生活中,机械振子也已广泛应用于建筑,钟表,乐器,生物等领域。随着微纳加工技术的进步,机械振子的尺寸变得越来越小,在很大程度上带动了原子力显微镜、分子马达等相关领域的蓬勃发展。近年来,以悬臂梁式微米线和纳米线为代表的机械振子被用来实现对微小物理量(如质量,力,温度梯度等)的灵敏探测。有研究指出,对悬臂梁振动模式的分辨有助于进一步提高探测的灵敏度,因此对于机械振子振动模式的探测成为了重要课题。

记者近日从中国科技大学获悉,中国科学院院士郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在基于碳纳米管的纳米机电系统方面取得系列重要进展。该实验室固态量子芯片组郭国平研究组与清华大学姜开利研究组等合作并成功实现了两个串联碳纳米管谐振器的强耦合、碳纳米管谐振器中两个模式的强耦合,并利用这种耦合实现了声子的相干操控。相关成果分别发表在国际权威杂志《纳米快报》和《纳米尺度》上。

针对这一关键科学问题,曹更玉研究组通过将两个耦合的微悬臂梁放入到一个周期性调制的光势阱中,在基于耦合机械振子的腔光力系统中构造了一个Landau-Zener-Stückelberg干涉仪,在系统的简并点上实现了微悬臂梁之间有效耦合强度全范围的连续调控。研究表明,利用振动的相干相消隧穿可以将振动能量束缚在相应的微悬臂梁上实现能量的动力学局域化。实验上利用这种基于动力学局域振动模式的相干光力开关,成功实现了能量在不同悬臂梁之间传递过程相干地打开和关断。该研究为进一步研究和调控基于耦合机械振子的人工晶格中的传递现象提供了一种新的方法。

有限元模拟分析可以给出振动模式的理论描述,实验的表征手段主要是激光多普勒振动仪。由于只能测到平行于入射光的振动,该方案需要假设两振动模式近简并且相互垂直。最新的研究表明这个假设并不总是成立的,因此对于单个振动模式的独立标定才是有意义的。已有报道利用四象限探测仪直接对单个振动模式进行测量,但该设计装置复杂,光路调节要求高,并且由于采用自由光路,不适合应用于极低温和强磁场等极端环境。强磁场中心提出的探测悬臂梁微米线振动模式的新方案,是使用自建的微透镜光纤干涉仪,结合激光与微米线相互作用的散射效应和干涉效应,实现了对微米线多个振动模式的独立实验直接标定,不需对其振动模式引入任何先验的假设。

碳纳米管由于其良好的电学性能、优异的力学性能,近年来被广泛应用于纳米机电系统的相关研究中,其在质量、微力、气体、位移等物理量的测量方面也具有广阔的应用前景。特别地,碳纳米管谐振器的机械模式和单分子磁体、单电子电荷以及自旋等物理量具有较强的耦合,可以用来探索纳米尺度下的物理现象,是一种品质优良的量子传感器件。