Temperature coefficients of crystalline-quartz elastic constants over the cryogenic range [4 K, 15 K]

This paper brings out results of a measurement campaign aiming to determine the temperature coefficients of synthetic quartz elastic constants at liquid helium temperature. The method is based on the relationship between the resonance frequencies of a quartz acoustic cavity and the elastic constants of the material. The temperature coefficients of the elastic constants are extracted from experimental frequency-temperature data collected from a set of resonators of various cut angles, because of the anisotropy of quartz, measured on the very useful cryogenic range [4 K - 15 K]. The knowledge of these temperature coefficients would allow to further design either quartz temperature sensors or conversely frequency-temperature compensated quartz cuts. With extremely low losses, lower than $10^{-9}$ for the best ones, key applications of such devices are ultra-low loss mechanical systems used in many research areas including frequency control and fundamental measurements. The Eulerian formalism is used in this study to identify the temperature coefficients.Comment: 6 pages,4 figure

Operation of graphene-on-quartz acoustic cavity at cryogenic temperatures

This paper presents observation of mechanical effects of a graphene monolayer deposited on a quartz substrate designed to operate as an extremely low-loss acoustic cavity standard at liquid-helium temperature. Resonances of this state-of-the-art cavity are used to probe the mechanical loss of the graphene film, assessed to be about $80 \: 10^{-4}$ at 4K. Significant frequency shifts of positive and negative sign have been observed for many overtones of three modes of vibration. These shifts cannot be predicted by the mass-loading model widely used in the Quartz Microbalance community. Although thermo-mechanical stresses are expected in such a graphene-on-quartz composite device at low temperature due to a mismatch of expansion coefficients of both materials, it cannot fully recover the mismatch of the mass loading effect. Based on a force-frequency theory applied to the three thickness modes, to reconcile the experimental results, the mean stresses in the graphene monolayer should be of the order of 140 GPa, likely close to its tensile strength.Comment: Corrected typos. New Fig. Text improve

A new method of probing mechanical losses of coatings at cryogenic temperatures

A new method of probing mechanical losses and comparing the corresponding deposition processes of metallic and dielectric coatings in 1-100 MHz frequency range and cryogenic temperatures is presented. The method is based on the use of extremely high-quality quartz acoustic cavities whose internal losses are orders of magnitude lower than any available coatings nowadays. The approach is demonstrated for Chromium, Chromium/Gold and a multilayer tantala/silica coatings. The ${\rm Ta}_2{\rm O}_5/{\rm Si}{\rm O}_2$ coating has been found to exhibit a loss angle lower than $1.6\times10^{-5}$ near 30 {\rm MHz} at 4 {\rm K}. The results are compared to the previous measurements

Evolutionary genetic dissection of human interferons

As revealed by population genetic analyses, different human interferon genes evolved under distinct selective constraints and signatures of positive selection vary according to geographic region, suggesting that some sequence changes may have conferred an advantage by increasing resistance to viral infection

Résonateurs à ondes acoustiques de volume piégées à très basses température : Applications à l'optomécanique

For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented.Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée

Bulk acoustics waves resonators trapped at very low temperatures : Optomechanical applications

Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée.For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented

Frequency-Temperature Compensated Cuts of Crystalline-Quartz Acoustic Cavity Within the Cryogenic Range [4 K, 15 K]

International audienceNew temperature-coefficients of quartz elasticcoefficients particularly relevant at liquid-helium temperature have been reported recently. Based on this result, frequencytemperature compensated cuts are predicted by calculation, and then demonstrated by experiment. Such compensated cuts can definitely fix the issue of remaining temperature sensitivity of crystalline quartz acoustic cavities unbeatable for their extremely low mechanical loss, as low as 10–9, when operated at liquid-He temperature

Temperature Coefficients of Quartz at Cryogenic Temperature

International audienceThe temperature coefficients of the elastic coefficients of quartz within [4 K, 15 K], the operating range of conventional cryocoolers, are predicted from experimental data. Raw data consist of a set of frequency-temperature curves recorded from bulk acoustic wave resonators made in different plates cut according to various angles relative to the crystallographic axes. Raw data are then processed as described in the paper in order to provide the 1st, 2nd, and 3rd order temperature coefficients of the seven elastic coefficients of quartz crystal