75 research outputs found

    Gradient Field Transduction of Nanomechanical Resonators

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    Das Forschungsgebiet nanomechanischer Systeme betrachtet die Bewegung von Strukturen, deren Länge in mindestens einer Richtung deutlich unter einem Mikrometer liegt. Meist werden dabei Auslenkungen untersucht, die in der Nähe einer mechanischen Resonanz angetrieben werden. Das wissenschaftliche Interesse an solchen Strukturen hat mehrere Gründe: aufgrund der kleinen Masse und oftmals geringen Dämpfung (d.h. hohe Güte) reagieren solche nanomechanischen Systeme sehr empfindlich auf Änderungen ihrer Umgebung oder ihrer eigenen Eigenschaften wie etwa ihrer Masse. Die große Vielfalt der nanomechanischen Systeme erlaubt die Kopplung an verschiedenste physikalische Größen wie (Umgebungs-)Druck, Licht, elektrische/magnitische Felder. Dies ermöglicht, die Wechselwirkung selbst zu untersuchen oder entsprechende Änderungen empfindlich zu detektieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Resonator Bewegung von doppelseitig eingespannten Balken untersucht; diese wurden mit konventioneller Mikrofabrikation aus verspanntem Silizium-Nitrid gefertigt. Die große Zugspannung in den Balken führt zu einer hohen mechanischen Stabilität und ebenso zu hohen mechanischen Güten. Ein Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung neuer Detektions- und Antriebsmechanismen. Unter Ausnutzung der Polarisierbarkeit des Resonators wurde ein lokaler Antrieb realisiert, der sich durch besondere Einfachkeit auszeichnet. Ebenso wurden Fortschritte in der optischen Detektion erzielt. Ein Photodetektor konnte innerhalb einer optischen Wellenlänge Abstand zum Resonator plaziert werden; dies ermöglicht die lokale Detektion seiner Bewegung. Hochempfindliche Messungen nutzen oft optische Resonanzen; bisherige Umsetzungen basieren auf Reflexionen und sind daher auf Objekte beschränkt, die größer als die verwendete Wellenlänge sind. In einer Zusammenarbeit mit Prof. Kippenberge konnte diese Beschränkung umgangen werden, indem geführtes Licht in einem Mikro-Toroiden verwendet wurde. Weiter wurde in der Arbeit die resonante Bewegung selbst untersucht. Im Bereich hoher Amplituden zeigt die rücktreibende Kraft nichtlineares Verhalten. Das sich dadurch ergebende bistabile Verhalten des Resonators wurde mit Hilfe von kurzen, resonanten Pulsen untersucht; schnelles Schalten wurde erreicht. Die mechanische Dämpfung der Siliziumnitrid Resonatoren wurde untersucht. Die hohen Güten von Systemen unter Zugspannung konnte erklärt werden durch die sich ergebende erhöhte gespeicherte elastische Energie; im Gegensatz zu einem veränderten Dämpfungsverhalten

    Sensing distant nuclear spins with a single electron spin

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    We experimentally demonstrate the use of a single electronic spin to measure the quantum dynamics of distant individual nuclear spins from within a surrounding spin bath. Our technique exploits coherent control of the electron spin, allowing us to isolate and monitor nuclear spins weakly coupled to the electron spin. Specifically, we detect the evolution of distant individual carbon-13 nuclear spins coupled to single nitrogen vacancy centers in a diamond lattice with hyperfine couplings down to a factor of 8 below the electronic spin bare dephasing rate. Potential applications to nanoscale magnetic resonance imaging and quantum information processing are discussed.Comment: Corrected typos, updated references. 5 pages, 4 figures, and supplemental materia

    Measuring mechanical motion with a single spin

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    We study theoretically the measurement of a mechanical oscillator using a single two level system as a detector. In a recent experiment, we used a single electronic spin associated with a nitrogen vacancy center in diamond to probe the thermal motion of a magnetized cantilever at room temperature {Kolkowitz et al., Science 335, 1603 (2012)}. Here, we present a detailed analysis of the sensitivity limits of this technique, as well as the possibility to measure the zero point motion of the oscillator. Further, we discuss the issue of measurement backaction in sequential measurements and find that although backaction heating can occur, it does not prohibit the detection of zero point motion. Throughout the paper we focus on the experimental implementation of a nitrogen vacancy center coupled to a magnetic cantilever; however, our results are applicable to a wide class of spin-oscillator systems. Implications for preparation of nonclassical states of a mechanical oscillator are also discussed.Comment: 17 pages, 6 figure

    Nonlinear Switching Dynamics in a Nanomechanical Resonator

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    The oscillatory response of nonlinear systems exhibits characteristic phenomena such as multistability, discontinuous jumps and hysteresis. These can be utilized in applications leading, e.g., to precise frequency measurement, mixing, memory elements, reduced noise characteristics in an oscillator or signal amplification. Approaching the quantum regime, concepts have been proposed that enable low backaction measurement techniques or facilitate the visualisation of quantum mechanical effects. Here we study the dynamic response of nanoelectromechanical resonators in the nonlinear regime aiming at a more detailed understanding and an exploitation for switching applications. Whereas most previous investigations concentrated on dynamic phenomena arising at the onset of bistability, we present experiments that yield insight into the non-adiabatic evolution of the system while subjected to strong driving pulses and the subsequent relaxation. Modeling the behaviour quantitatively with a Duffing oscillator, we can control switching between its two stable states at high speeds, exceeding recently demonstrated results by 10,000

    Measuring nanomechanical motion with an imprecision far below the standard quantum limit

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    We demonstrate a transducer of nanomechanical motion based on cavity enhanced optical near-fields capable of achieving a shot-noise limited imprecision more than 10 dB below the standard quantum limit (SQL). Residual background due to fundamental thermodynamical frequency fluctuations allows a total imprecision 3 dB below the SQL at room temperature (corresponding to 600 am/Hz^(1/2) in absolute units) and is known to reduce to negligible values for moderate cryogenic temperatures. The transducer operates deeply in the quantum backaction dominated regime, prerequisite for exploring quantum backaction, measurement-induced squeezing and accessing sub-SQL sensitivity using backaction evading techniques

    Selective high frequency mechanical actuation driven by the VO2 electronic instability

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    Micro- and nano-electromechanical resonators are a fundamental building block of modern technology, used in environmental monitoring, robotics, medical tools as well as fundamental science. These devices rely on dedicated electronics to generate their driving signal, resulting in an increased complexity and size. Here, we present a new paradigm to achieve high-frequency mechanical actuation based on the metal-insulator transition of VO2\mathrm{_2}, where the steep variation of its electronic properties enables to realize high-frequency electrical oscillations. The dual nature of this phase change, which is both electronic and structural, turns the electrical oscillations into an intrinsic actuation mechanism, powered by a small DC voltage and capable to selectively excite the different mechanical modes of a microstructure. Our results pave the way towards the realization of micro- and nano-electro-mechanical systems with autonomous actuation from integrated DC power sources such as solar cells or micro-batteries.Comment: Main text: 6 pages, 4 figures Supplemental Material: 16 pages, 7 section
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