Физики из Йельского университета (США) выяснили, как наномеханический резонатор можно превратить в элемент памяти, управляемый лазерным излучением.

Недавние исследования, напомним, доказали, что лазеры хорошо подходят для охлаждения механических осцилляторов. В предыдущей статье мы рассказывали об одном из таких опытов, в котором фотоны излучения «извлекают» фононы из системы, способствуя её переходу в основное квантовое состояние.

На практике, в условиях комнатной температуры, наномеханические резонаторы используются для измерения слабых сил или малых масс. Здесь нижние квантовые состояния экспериментаторов уже не интересуют: устройство, напротив, должно работать с большой амплитудой.

Авторы рассмотрели именно такой вариант применения наноразмерного осциллятора, амплитуду колебаний которого увеличивают за счёт введения фононов.

Рис. 1. «Верхнее» и «нижнее» стабильные состояния осциллятора (здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Nanotechnology).

Опытные образцы резонаторов в виде планок размером 10×0,5×0,11 мкм с эффективной массой в 1 пг и частотой основного резонанса в 8 МГц были изготовлены на стандартных подложках типа «кремний на диэлектрике». Планки имели два стабильных состояния (могли выгибаться вверх и вниз), соответствующих минимумам потенциала. При падении лазерного излучения с правильно подобранной длиной волны такой резонатор начинал совершать колебания с возрастающей амплитудой, которая вскоре выходила на максимум (350 нм) и стабилизировалась. После выключения лазера осциллятор самопроизвольно переходил в одно из стабильных состояний, определяемое случайным образом.

Рис. 2. Энергетическая схема системы с двумя минимумами потенциала. Предоставленная самой себе после возбуждения колебаний большой амплитуды, она может оказаться в любом из двух состояний.

Чтобы преобразовать описанную систему в полнофункциональный элемент памяти, нужно, очевидно, добавить возможность выбора стабильного состояния, одно из которых будет представлять значение «0», а второе — «1». Эту задачу авторы решили с помощью охлаждающего лазера с точной настройкой длины волны; включая его, они «подталкивали» резонатор к требуемому состоянию, причём вероятность ошибки при корректном выборе длины волны была нулевой.

Рис. 3. Зависимость вероятности обнаружения резонатора в «верхнем» и «нижнем» состояниях от дины волны охлаждающего лазера. Голубым выделена область нестабильной работы системы.

Полная версия отчёта в статье:

Mahmood Bagheri, Menno Poot, Mo Li, Wolfram P. H. Pernice & Hong X. Tang Dynamic manipulation of nanomechanical resonators in the high-amplitude regime and non-volatile mechanical memory operation. – Nature Nanotechnology. – Nature Nanotechnology. – 2011. – doi:10.1038/nnano.2011.180; Published online 23 October 2011.