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Sep 28, 2023

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 17005 (2015) Citare questo articolo

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Il carburo di silicio (SiC) presenta eccellenti proprietà del materiale attraenti per ampie applicazioni. Dimostriamo i primi microrisonatori optomeccanici SiC che integrano alta frequenza meccanica, alta qualità meccanica e alta qualità ottica in un unico dispositivo. La modalità meccanica a respirazione radiale ha una frequenza meccanica fino a 1,69 GHz con un Q meccanico intorno a 5500 in atmosfera, che corrisponde a un prodotto fm · Qm pari a 9,47 × 1012 Hz. Il forte accoppiamento optomeccanico ci consente di eccitare e sondare in modo efficiente l'oscillazione meccanica coerente mediante onde ottiche. I dispositivi dimostrati, in combinazione con le proprietà termiche superiori, l’inerzia chimica e le caratteristiche dei difetti del SiC, mostrano un grande potenziale per applicazioni in metrologia, rilevamento e fotonica quantistica, in particolare in ambienti difficili che sono difficili per altre piattaforme di dispositivi.

I risonatori optomeccanici accoppiano reciprocamente cavità ottiche e risonatori meccanici attraverso interazioni optomeccaniche mediate dalle forze di pressione di radiazione. Con l'eccezionale capacità di sondare e controllare il movimento meccanico mesoscopico fino al singolo livello quantico, i risonatori micro/nano-optomeccanici sono stati studiati intensamente negli ultimi anni, mostrando grandi promesse per ampie applicazioni nel rilevamento, nell'elaborazione delle informazioni, nella metrologia del tempo/frequenza e nella fisica quantistica1 ,2,3,4,5,6. Ad oggi, diverse strutture optomeccaniche6 sono state sviluppate su una varietà di piattaforme di materiali tra cui silice7, nitruro di silicio8, silicio9, arseniuro di gallio10, nitruro di alluminio11, diamante12, vetro fosfosilicato13 e fosfuro di gallio14. In generale, l'optomeccanica della cavità si basa in modo critico sul materiale del dispositivo sottostante, richiedendo non solo un'elevata trasparenza ottica e un ampio indice di rifrazione per supportare le modalità ottiche di alta qualità e fortemente confinate, ma anche un'elevata velocità acustica e un basso smorzamento del materiale per supportare l'alta- frequenza e risonanze meccaniche di alta qualità.

Il carburo di silicio (SiC) è ben noto per le sue eccezionali proprietà termiche, ottiche, meccaniche e chimiche15, con ampie applicazioni nell'elettronica ad alta potenza, sensori micromeccanici, dispositivi biomedici e telescopi astronomici16,17,18. Negli ultimi anni, sforzi significativi sono stati dedicati allo sviluppo di dispositivi micro/nanofotonici basati su SiC19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30, fortemente attratti dalle sue proprietà ottiche non lineari26 ,28 e caratteristiche dei difetti31,32. D'altra parte, recenti studi teorici33,34,35 mostrano che il SiC presenta una qualità meccanica intrinseca significativamente superiore rispetto ad altri materiali, con un prodotto teorico frequenza-qualità (fm ⋅ Qm) ~3 × 1014 a temperatura ambiente, a causa del suo valore eccezionalmente basso diffusione fonone-fonone che domina la perdita meccanica intrinseca nel regime di frequenza delle microonde. L'elevata qualità meccanica intrinseca, insieme alle eccezionali proprietà ottiche, rendono il SiC un'eccellente piattaforma materiale per applicazioni optomeccaniche. Sfortunatamente, la rigidità meccanica superiore e l’inerzia chimica del SiC impongono sfide significative alla fabbricazione di dispositivi micro/nanofotonici con elevate qualità ottiche e meccaniche, il che ostacola seriamente la realizzazione di funzionalità optomeccaniche sulla piattaforma SiC.

In questa lettera, mostriamo i primi microrisonatori optomeccanici SiC che mostrano un significativo accoppiamento optomeccanico con un coefficiente fino a |gom|/2π ≈ (61 ± 8) GHz/nm, che ci consente di attuare e caratterizzare in modo efficiente i movimenti meccanici mesoscopici mediante ottica significa. Ottimizzando la struttura del dispositivo e il processo di fabbricazione, siamo in grado di ottenere contemporaneamente un'elevata qualità ottica, un'ampia frequenza meccanica e un'elevata qualità meccanica in un unico dispositivo. Le modalità della galleria sussurrata mostrano elevate qualità ottiche intorno a ~ 3,8 × 104. Le modalità meccaniche a respirazione radiale mostrano frequenze fino a 1,69 GHz e qualità meccaniche intorno a 5500. Il corrispondente prodotto fm ⋅ Qm è 9,47 × 1012, che è il valore più alto per la modalità acustica di massa fondamentale nel SiC dimostrata fino ad oggi36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47, per quanto ne sappiamo.