Наноэлектромеханические системы (НЭМС) уже широко применяются в фундаментальных исследованиях, обладая уникальным набором параметров:

• Резонансными частотами от МГц до десятков ГГц и механической добротностью 10³-10⁶, что превышает добротность электрических несверхпроводящих резонаторов;
• Характерными массами порядка фемтограммов (10^-15 г) и теплоёмкостью порядка йоктокалории (10^-24 кал);
• Чувствительностью по измеряемой силе - на уровне цептоньютонов (10^-21 Н), массе - на уровне цептограмм (10^-21 г).

Существует ряд направлений, исследования в которых НЭМС исключительно актуальны, как для решения фундаментальных задач, так и применения полученных результатов:

1. Исследование явления квантовой турбулентности в микрометровом масштабе.
2. Изучение механизмов диссипации в наномеханических резонаторах с целью повышения их добротности
3. Исследование электронного транспорта в интегрированных системах, включающих наномеханический резонатор и электронный преобразователь, например, одноэлектронный транзистор или сквид.
4. Исследование эффекта механической степени свободы на свойства квантовой двухуровневой системы (кубита). 

Одним из ключевых направлений работы лаборатории «Криоэлектроника», совместно с Университетом Ланкастера (Великобритания), является: Исследование явления квантовой турбулентности в микрометровом масштабе.

Схема исследования явления квантовой турбулентности

Несмотря на то, что явление турбулентности очень распространено и наблюдается в жизни в виде прибоев, бурного течения реки, вздымающихся грозовых облаков, дыма из трубы и т.д., полной теории турбулентности на сегодняшний день не существует. Аналитического решения фундаментального уравнения Навье-Стокса, которому подчиняются потоки жидкостей и газов, не найдено до сих пор за исключением простейших случаев.

Моделировать квантовую турбулентность проще, чем ее классический аналог, поскольку в сверхтекучих жидкостях вихри имеют фиксированный размер и идентичны. Квантовая турбулентность представляет собой клубок квантованных вихрей, поэтому, на основе изучения поведения идентичного классическому одиночного квантового вихря можно построить своего рода «атомную модель» этого явления. Но явление турбулентности в квантовых системах проявляется на микроскопическом масштабе и до недавнего времени у ученых не было инструментов, позволяющих с достаточным пространственным разрешением исследовать такие маленькие структуры. Это стало возможным лишь с появлением НЭМС и разработкой сверхчувствительных детекторов на их основе, что было осуществлено на мощностях лаборатории «Криоэлектроника»

Модель взаимодействия одиночного квантового вихря с нанорезонатором и экспериментальные данные. 

Технология изготовления НЭМС содержит несколько ключевых этапов. Во-первых, с помощью стандартных методов литографии и термического напыления тонких пленок на поверхности пластины формируется маска, имеющая форму будущей структуры. Во-вторых, с помощью реактивно-ионного травления рисунок маски переносится в верхний слой исходной пластины. В-третьих, осуществляется подвешивание наноразмерной структуры с использованием либо реактивно-ионного травления, либо жидкостного травления.

Ключевые этапы изготовления нанорезонатора: a) - исходная пластина. b) - маска, сформированная на поверхности исходной пластины.
c) - структура нанорезонатора с подводящими контактами, перенесенная в верхний слой пластины d) - финальный вид структуры с подвешенным нанорезонатором. 

Независимо от своих размеров подавляющее большинство НЭМС имеет в своем составе два принципиально важных компонента: механический элемент и преобразователь.

Механический элемент либо отклоняется на определенную величину, либо совершает колебания в ответ на приложенную квазистатическую или переменную силу. Различные типы механических элементов, использующихся для детектирования статических или переменных сил, могут включать в себя: крутильные весы, кантилеверы, подвешенные балки, составные резонансные структуры, обладающие набором различных (поперечных, продольных, крутильных) мод колебаний.

Схематическое изображение подвешенного нанопровода. 

Преобразователи в МЭМС и НЭМС переводят механическое смещение в электрический или оптический сигнал и наоборот. В качестве преобразователей наиболее подходящими устройствами являются квантовые точечные контакты и одноэлектронные транзисторы, которые могут обеспечить достижение квантового предела. К ним следует также добавить полевые сенсоры на основе полупроводниковых нанопроводов, которые обладают чувствительностью и локальным разрешением, близким к одноэлектронным транзисторам.

Высокие частоты наномеханических резонаторов открывают много новых и интересных возможностей их применения в недалеком будущем. Среди них, например, механическая обработка сигналов на сверхвысоких частотах при сверхнизком потреблении энергии, новые типы быстро сканирующих зондовых микроскопов и, возможно, даже новые формы механических компьютеров. Однако принципиально новой особенностью перехода от микро- размеров к нано- является доминирование квантовых эффектов. Появляется возможность исследовать чисто механические объекты в квантовом режиме, что было невозможно в недалёком прошлом.

Фотография нанорезонаторов изготовленных на технологической базе лаборатории «Криоэлектроника».
Фотографии получены с помощью Сканирующего Электронного Микроскопа. 

Важный атрибут НЭМС - высокая добротность (Q) их резонансной системы. Как результат, НЭМС чрезвычайно чувствительны к внешним демпфирующим механизмам, что имеет решающее значение для построения на их основе различных типов сенсоров. Кроме того, термомеханической шум, который аналогичен белому шуму в электрических резисторах, обратно пропорционален Q. Высокое значение Q, следовательно, является важным атрибутом как для резонансных сенсоров, так и для сенсоров смещения. Высокая добротность обеспечивает подавление случайных механических флуктуаций и, таким образом, делает эти устройства очень чувствительными к приложенному воздействию. С такой чувствительностью появляется возможность для достижения квантового предела.

Малая эффективная масса колеблющейся части устройства - или малый момент инерции крутильных устройств - имеет еще одно важное следствие: НЭМС имеет поразительно высокую чувствительность к дополнительной массе - исключительно ценный атрибут для широкого спектра сенсорных приложений. Наиболее чувствительные приборы в скором времени смогут обнаружить небольшое число атомов, адсорбированных на поверхности устройства.

Между тем, малый размер НЭМС также подразумевает, что приборы на их основе будут иметь высокое пространственное разрешение. Кроме того, геометрия устройства НЭМС может быть адаптирована таким образом, чтобы колеблющийся элемент реагировал на внешние силы только в определенном направлении. Эта гибкость является чрезвычайно полезной для разработки новых типов сканирующих зондовых микроскопов.

НЭМС также относятся к устройствам с предельно низким потреблением энергии. Применение НЭМС на пиковаттном (10^-12 Вт) масштабе обеспечивает отношение сигнал-шум до 10⁶. Даже если миллион таких устройств работал бы одновременно в сигнальном процессоре, суммарная рассеиваемая мощность всей системы была бы только на уровне одного мкВт.

• Guthrie A., Kafanov S., Noble M.T., Pashkin Yu A., Pickett G.R., Tsepelin V., Dorofeev A.A., Krupenin V.A., Presnov D.E. Nanoscale real-time detection of quantum vortices at millikelvin temperatures. Nature communications,  том 12, № 1 DOI
• Преснов, Д. Е., Кафанов, С. Г., Дорофеев, А. А., Божьев, И. В., Трифонов, А. С., Пашкин, Ю. А., and Крупенин, В. А. Механический резонанс в кремниевом нанопроводе с высокой добротностью. Письма в "Журнал экспериментальной и теоретической физики" 108, 7, 522–528, (2018).
• Presnov, D. E., Kafanov, S., Dorofeev, A. A., Bozhev, I. V., Trifonov, A. S., Pashkin, Y. A., and Krupenin, V. A. High quality factor mechanical resonance in a silicon nanowire. JETP Letters 108, 7, 492–497, (2018).

Сотрудники направления