Cavity optomechanics for sensing force gradients in atomic force microscopy
Tid: Fr 2024-12-13 kl 09.00
Plats: FD41, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Material- och nanofysik
Respondent: Elisabet Arvidsson , Quantum and Nanostructure Physics
Opponent: Professor Albert Schliesser, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark
Handledare: Professor David B. Haviland, Tillämpad fysik
QC 2024-11-19
Abstract
I denna avhandling undersöker vi kraftgradientavkänning baserat på principerna av optomekanik, specifikt i kontexten av atomkraftmikroskopi (AFM). Tipp-ytkrafter förändrar en vipparms rörelse. Denna förändring detekteras med hjälp av en integrerad kompakt kraftsensor med lågt brus baserat på kavitetsoptomekanik.
För detta ändamål designar och tillverkar vi sensorer på kiselplattor. Sensorerna består av triangulära Si-N vipparmar frigjorda från ett substrat av Si. Vi tillverkar låg-frekventa, 700 kHz, vipparmar såväl som hög-frekventa, 5 MHz, vipparmar där de senare placerar sensorn i den 'goda kavitetsgränsen'. Vid basen av vipparmen tillverkar vi en supraledande mikrovågsresonanskrets formad från en tunn film av Nb-Ti-N. Mikrovågskretsen har en resonansfrekvens av 4-5 GHz. Kopplingen mellan vipparmen och mikrovågskretsen är baserat på töjningmodulering av den kinetiska induktansen i den slingrande nanotråden placerad vid basen av vipparmen. Den mekaniska rörelsen kan på så sätt detekteras genom moduleringen av kavitetens resonansfrekvens.
Vi karakteriserar den mekaniska moden såväl som mikrovågskretsen och visar på den nya töjningsberoende kopplingen. Vi undersöker förlusterna av mikrovågskretsen och finner att i temperaturintervallet 1.7-6 K så domineras förlusterna inte av kvasi-partiklar i termisk jämvikt. Vi undersöker också möjligheten till att använda det icke-linjära strömberoendet från den kinetiska induktansen som medel att parametriskt förstärka rörelsesidobanden producerade från den optomekaniska interaktionen. Slutligen, med en prototyp skannerenhet för AFM vid låga temperaturer detekterar vi kraftgradienter och avbildar en yta genom att implementera ett pump-arrangemang med två toner för mikrovågskretsen samtidigt som den mekaniska resonatorn drivs.