Surface acoustic wave coupling between micromechanical resonators
微或纳米机械谐振器通过共享衬底的耦合被广泛用于基础研究和实际应用。到目前为止,重点一直是在kHz制度与弹簧式耦合操作的设备。在谐振频率高于几个10 MHz时,固体基底中的波传播变得相关。谐振器充当表面声波(SAW)的源,并且这如何影响它们之间的耦合是未知的。在这里,我们提出了一个模型的MHz频率谐振器相互作用的SAW和导出的本征频率和品质因数的一对谐振器的对称和反对称模式。我们的结果是一致的有限元方法(FEM)模拟和显示,在著名的应变诱导弹簧耦合,通过SAW耦合不仅是分散的,但也耗散。这可以被利用来实现高质量的声子腔,例如通过声子晶体来替代声辐射屏蔽。
2021-08-27 physics.app-ph
Tracking the resonant frequency of a micromechanical resonator using phononic frequency combs
近几十年来,微机械和纳米机械谐振器在时间和频率基准以及高灵敏度传感器方面的应用得到了广泛的研究。传统上,这些谐振传感器的操作实际上使用反馈振荡器来实现,以动态地跟踪谐振频率的变化。然而,这种方法限制了输出响应的频率稳定性,特别是由于近载波相位噪声,可能会限制长积分时间内的测量。在这里,在本文中,利用最近的实验演示的声子频率梳,我们展示了一种替代的谐振跟踪方法,有可能提供显着改善近载波相位噪声和长期稳定性。此外,我们还展示了梳状动力学介导的谐振频率调制,间接指向不可避免的噪声过程,包括热机械波动的可能控制。这种谐振跟踪方法还可以具有对许多其他物理振荡器的一般适用性。
2018-06-26 physics.app-ph
Generation and propagation of topological solitons in a chain of coupled parametric-micromechanical-resonator arrays
从理论和数值上研究了利用耦合参数谐振器阵列在其双标架相空间中产生和传输拓扑孤子的问题。在与著名的phi4模型的类比中,孤子的存在被拓扑地保护为两个不同的参量振荡相域的边界。数值模拟结果表明,通过改变特定谐振腔的相位状态可以触发传输,并研究了阻尼、碰撞和谐波驱动对称性提升对传输动力学的影响。拓扑孤子可以通过使用机电谐振器来实现,这允许其传播动力学被精确地电控制,并为拓扑孤子的研究提供完全受控的片上测试床。
2021-01-07 cond-mat.mes-hall nlin.PS physics.app-ph
A dynamical approach to generate chaos in a micromechanical resonator
混沌系统,呈现复杂和不可再现的动力学,可以在自然界中发现,从行星之间的相互作用到天气的演变,但也可以使用先进的信号处理技术进行定制。然而,混沌信号发生器的实现仍然具有挑战性,由于所涉及的动力学的基础物理。在本文中,我们提出了一种从微机械谐振器中产生混沌信号的破坏性方法。这种技术克服了长期以来建立的复杂性,控制屈曲的微/纳米机械结构,通过调制的振幅或频率的驱动力施加到谐振器中的非线性制度。实验特征参数的混沌政权,即庞加莱截面和李雅普诺夫指数,直接比较不同的配置模拟。这些结果证实,这种动态方法是转置到任何类型的微/纳米机械谐振器,从加速度计到麦克风。我们展示了一个直接的应用程序,利用混合特性的混沌制度,通过转换成一个真正的随机数发生器符合美国国家标准与技术研究所的规格的现成的microdiaphragm。这种原始方法的多功能性开辟了新的途径,将混沌的独特性质与微结构的异常灵敏度相结合,从而形成新兴的微系统。
2021-01-28 nlin.CD physics.app-ph
Theoretical Insights into 1:2 and 1:3 Internal Resonance for Frequency Stabilization in Nonlinear Micromechanical Resonators
本文通过广义双模态降阶模型研究1:2与1:3内共振的频率稳定机制,揭示弱耦合下振幅与频率饱和、强耦合下渐近线或零色散点两种稳定方式,为设计高频率稳定性微机械谐振器提供理论指导。
2024-10-04 physics.app-ph
Engineering the dissipation of crystalline micromechanical resonators
高质量的微纳机械谐振器广泛应用于传感、通信和计时,并在量子技术和量子物理基础研究中具有未来的应用。晶体薄膜由于其高质量、内在应力和屈服强度以及低损耗的前景而对于这种谐振器特别有吸引力。然而,当生长在硅衬底上时,由于与衬底的晶格失配而产生的界面缺陷被假定为引入额外的耗散。在这里,我们开发了一种新的背面蚀刻工艺的单晶碳化硅微谐振器,使我们能够定量验证这一预测。通过设计谐振器的几何形状并去除有缺陷的界面层,我们在室温下在碳化硅蹦床谐振器中实现了超过一百万的品质因数,比没有去除界面缺陷层的谐振器高五倍。我们预测,由高纯度碳化硅制造的类似器件并利用其高屈服强度,可以使室温品质因数高达$6\times10^9$
2020-02-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Optically Actuated Transitions in Multimodal, Bistable Micromechanical Oscillators
本研究在弱阻尼微机械谐振器中发现由杜芬非线性、模间耦合与热涨落共同作用的新型光机械非线性,利用随机边带实现双稳态概率跃迁,揭示多模耦合下的类似效应及能量交换率的大幅变化,为光机械器件等领域提供新方向。
2025-07-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
A micromechanical frequency reference with parts-per-trillion holdover stability
University of Illinois at Urbana–Champaign(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校);Stanford University(斯坦福大学)
本文展示了一个268 MHz的MEMS时钟,实现了8 parts-per-trillion的频率稳定性,通过双频共振跟踪技术克服了传统相位锁定振荡器的增益波动问题,提高了MEMS时钟的长期频率稳定性。
2026-04-28 physics.app-ph physics.optics
On-chip higher-order topological micromechanical metamaterials
高阶拓扑绝缘体由于能够在单个芯片上集成多个维度的稳定边界态,具有多维拓扑物理和独特的应用价值。然而,对于高频机械系统中的信号处理应用,高阶拓扑机械材料的当前实现仍然限于用于千赫兹或更低频率的大规模系统。在这里,我们报告的实验观察的芯片上的微机械超材料作为高阶拓扑绝缘体的高频机械波。高阶拓扑声子带隙是由布里渊区拐角处的带反转引起的,该带反转是通过配置在硅芯片上蚀刻的椭圆柱的取向来实现的。通过一致的实验和理论,我们证明了在兆赫频率范围内由高阶能带拓扑引起的拓扑边缘态和角态的共存。具有高阶拓扑结构的片上微机械超材料的实验实现为基于集成平台中的兆赫机械波的应用打开了一个机制,其中边缘和角状态分别充当稳定的波导和谐振器。
2020-10-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
High-Q trampoline resonators from strained crystalline InGaP for integrated free-space optomechanics
本研究展示了基于拉伸应变结晶InGaP的弦和蹦床谐振器,通过应变工程在室温下实现超过10^7的机械品质因子和高达7·10^11 Hz的Q·f乘积,为室温集成自由空间量子光力学铺平道路。
2023-07-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Photonic Theta Cavity: Engineering Bound States in the Continuum in Topological Resonators Beyond the Limitations of Near Field Coupling
Howard University(霍华德大学);University of Maryland(马里兰大学)
研究光子θ腔,利用干涉耦合克服近场耦合限制,通过镜对称交叉结建立器件物理,实现强腔限制和BICs。展示嵌套θ腔中多环谐振器的相位介导远程强耦合及能带结构杂交,提供可扩展、拓扑稳健的模式工程平台。
2026-07-14 physics.app-ph physics.optics
Unveiling Mechanical Motions in Non-linear Optical Organic Micro Ring Resonators
University of Hyderabad(海德拉巴大学);Lomonosov Moscow State University(莫斯科罗蒙诺索夫国立大学)
研究通过动态运动和三维空间操控有机微环谐振器,展示其机械可重构性及非线性光学特性,拓展了三维空间控制能力。
2025-09-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Tuning of bound states in the continuum by waveguide rotation
本文研究了声波在非轴对称波导中的传输问题,该波导由圆柱谐振腔和两个半无限长圆柱波导组成,圆柱波导的轴线相对于谐振腔轴线和彼此的轴线偏移方位角$Δϕ$。我们证明了,对于其中一个附加波导的旋转,谐振腔的本征模的耦合矩阵元由整数$m$和波导的传播模式分类获得相位因子$e^{imΔϕ}$。这对法诺共振产生了至关重要的影响,并在波导的旋转下产生了水龙头打开和关闭波通量的模拟。我们表明,在波导的旋转和谐振腔的长度的变化的情况下,许多束缚态的连续发生互补的法诺共振崩溃。
2017-07-04 physics.app-ph
Bound States-to-Bands in the Continuum in Cylindrical Granular Crystals
本文在圆柱形颗粒晶体中实现并实验验证了偏振保护的连续谱束缚态,通过调节接触边界可控地实现BICs到准BICs的转变,并进一步在周期链中形成高Q值无色散的准束缚平带。
2024-10-21 cond-mat.other physics.app-ph
Acoustic Bound States in the Continuum in Coupled Helmholtz Resonators
本研究针对超材料单元结构复杂难调谐的问题,以耦合亥姆霍兹谐振器系统为对象,通过数值与实验验证了准连续域束缚态的激发,还发现损耗调谐可引发谱分裂/合并与奇异点,为简易可调声学超构材料研发提供新方向。
2024-07-19 physics.app-ph physics.class-ph
Boundary-Induced Embedded Eigenstate in a Single Resonator for Advanced Sensing
电磁嵌入本征态,又称连续束缚态(BIC),在传感、激光、增强非线性和能量收集等方面具有巨大的应用潜力。然而,到目前为止,他们的演示仅限于适当定制的元素的大面积周期性阵列,在不可避免的混乱中对整体足迹和性能有根本性的限制。在这项工作中,我们展示了一个BIC本地化在一个单一的亚波长谐振器通过适当地剪裁它周围的边界,使一个新的控制程度的按需对称性破缺。我们通过实验演示了如何边界诱导BIC打开令人兴奋的机会,通过跟踪NaCl在水中的溶解,确定蒸馏水和盐水的蒸发速率,分辨率小于1 e-6 L,使用桌面实验装置的传感。
2021-02-13 physics.app-ph physics.optics
Observation of ultra-high-Q resonators in the ultrasound via bound states in the continuum
本研究利用弹性 Fabry-Pérot 超表面谐振器,在理论和实验上证明了超声波准连续域束缚态(QBIC)的存在,在约1 MHz频率下实现了高达350的Q因子,为设计高效超高Q因子超声器件提供了新范式。
2024-02-13 physics.app-ph physics.class-ph
A General Framework of Bound States in the Continuum in an Open Acoustic Resonator
连续介质中的束缚态(BIC)提供了一种可行的方法来实现光子学和声学中的高Q共振。在这项工作中,我们提出了一个一般的方法来构建Friedrich-Wintgen(FW)BIC和偶然BIC的耦合声波导谐振器系统。我们证明,FW BIC可以实现任意两个简并共振在一个封闭的谐振腔中,无论他们是否有相同或相反的宇称。此外,通过调整附加波导的位置,可以任意设计它们的本征模分布。这表明了一种有效的方法,连续切换的性质,从FW BIC的安全保护BIC或意外的BIC。此外,这种BIC在耦合波导谐振器系统中以诸如矩形、椭圆形和菱形的形状被维持。这些有趣的现象很好地解释了两个能级的有效非厄米哈密顿量,其中两个强耦合的简并模式在形成这样的FW BIC中发挥了重要作用。此外,我们还发现,通过调节附加波导的位置,这种开放系统在几何空间而不是动量空间也支持偶然的BIC,这归因于波导与封闭腔本征模之间的耦合猝灭。最后,我们制作了一系列三维耦合谐振波导,并通过测量透射谱验证了FW BIC和偶然BIC的存在。我们的研究结果补充了目前的声学BIC库,并为设计新型声学器件提供了新的途径,如吸声器,滤波器和传感器。
2022-07-14 physics.app-ph physics.class-ph
Optomechanical crystal with bound states in the continuum
芯片级微纳光机系统依靠无形的辐射压力,在传感、信号转导和利用机械谐振器探索量子物理方面显示出其独特的优势。光机械晶体作为一种领先的器件平台,能够同时成型具有强光机械耦合的光学光子和微波声子的能带结构。在这里,我们展示了一个新品种的光机械晶体在二维基板上的板结构,在8 GHz的连续(BIC)的机械束缚态授权。我们发现,与低维光机械晶体相当,光机械耦合高达$g/2π\approx 2.5$ MHz的每单位细胞,由晶体诱导的BIC出现。我们的工作为探索悬浮微腔之外的光子-声子相互作用铺平了道路,这可能会导致从声子传感到量子转导的光力学新应用。
2022-04-29 physics.app-ph physics.optics
Individual nanoantennas empowered by bound states in the continuum for nonlinear photonics
连续谱中的束缚态(BIC)表示能量嵌入辐射波的连续谱中的局域模。BIC最初是作为量子力学中的一种数学好奇心被发现的,最近被应用于光子学。纯数学束缚态具有无限大的品质因数(Q因子)和零共振线宽。在光学中,BIC在物理上受到有限尺寸、材料吸收、结构无序和表面散射的限制,并且它们表现为具有大Q因子的共振态,也称为超腔模式或准BIC。光学BIC共振仅在扩展的2D和1D系统中得到证实,并且已用于包括激光和传感的不同应用。近年来,人们在单个纳米谐振器中发现了光学准BIC模式,但从未在实验中观察到。在这里,我们实验证明了一个孤立的亚波长纳米谐振器托管准BIC谐振。我们在工程衬底上制作了AlGaAs材料的谐振腔,并使用结构光耦合到准BIC模式。我们采用的谐振器作为非线性纳米天线,并展示了创纪录的高效率的二次谐波产生。我们的研究为亚波长共振光子学提供了一个新的平台。
2019-08-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Acoustic helical dichroism enhanced by chiral quasi-bound states in the continuum
City University of Hong Kong(香港城市大学)
本研究通过高Q因子的准束缚态和3D手性波前增强声学螺旋双折射,为强手性声-物质相互作用提供了新途径。
2025-12-01 physics.app-ph
Mechanical mode engineering with orthotropic metamaterial membranes
本文通过纳米图案化在氮化硅薄膜中引入人工各向异性弹性,实现机械模式分裂,各向异性达1.568,可用于基础研究和改进传感器。
2022-02-28 physics.app-ph
Sound Trapping in an Open Resonator
具有高品质因数(Q因子)共振的极端声能约束的能力对于在生物超声、增强的准直声发射(即声激光)和高分辨率感测中需要高强度和超敏性的声学设备是至关重要的。然而,迄今为止报道的结构表现出有限的声学谐振的品质因数(Q因子),在开放式谐振器中高达几十。连续介质中束缚态的出现使得高Q值声学模的实现成为可能。在这里,我们报告了由单个开放谐振器支持的声学BIC的理论设计和实验演示。我们预测这样的开放式声谐振器可以同时支持三种类型的BIC,包括对称保护BIC,Friedrich-Wintgen诱导的模式干涉BIC,以及一种新的BIC:镜像对称诱导BIC。我们还通过实验证明了所有三种类型的BIC的存在,其Q因子比开放谐振器中报道的最高Q因子大一个数量级。
2021-03-22 physics.app-ph physics.class-ph