Development of a displacement sensor towards detecting quantum fluctuations in nanoelectromechanical systems

Abstract

Deneysel yoğun madde fiziğinde son yıllarda dikkatle izlenen konulardan birisi de makroskopik sistemlerde kuantum mekaniksel davranışlar gözlemlemeye yönelik yapılan araştırmalardır. Makroskopik bir sistemin mekanik kuantumu (??), ısıl titreşimlerden (kBT) daha büyük olduğu zaman, sistemin kuantum özelliklerini gözlemlemek kuramsal olarak mümkünken deneysel olarak hala gösterilememiştir. Kuramsal olarak, yüksek frekans (GHz) ve düşük sıcaklık (<1 K) koşulları sağlandığında, bir rezonatörün mekanik kuantumu ölçülebilir. Bu koşullarda rezonatörün yer değiştirme miktarı femto-metre mertebesinde olacaktır. Dolayısıyla bu hareketi gözlemlemek için son derece hassas ve hızlı bir yer değiştirme algılayıcısına ihtiyaç duyulacaktır. Dünyada pekçok araştırma grubu, üstün performanslı rezonatör-algılayıcı sistemleri geliştirerek kuantum limitinde ölçüm hassasiyetine erişebilmek için nanoteknolojinin sınırlarında çalışmalarını sürdürmektedir. Bu tezde, istenilen ölçüm hassasiyetine ulaşma potansiyeli yüksek yeni bir deneysel metot önerilmektedir. Önerilen metot, yüksek frekanslı mekanik bir rezonatör ile ona entegre edilmiş bir tünelleme ekleminden oluşmaktadır. Tünelleme algılayıcısının, halen uygulanan kapasitif algılayıcılara olan üstünlüğü kuramsal analizler sonucu ortaya konmuş olsa da, gerçeklenmesindeki teknik karmaşıklar yüzünden geri planda kalmış ve deneysel olarak uygulanamamıştır. Bu projede, belirtilen deneyin uygulanabilmesi için yeni bir üretim metodu ve ölçüm düzeneği önerilmektedir.

In condensed matter physics, it has been a long-standing goal to detect quantum mechanical behavior in macroscopic systems. Theoretically, a macroscopic system reveals its quantum dynamics when the mechanical quanta (??) are not obscured by thermal fluctuations (kBT). The mechanical quanta will be observable if a mechanical resonator vibrates at GHz frequencies while kept at sub-Kelvin temperatures. Such a resonator?s displacement fluctuations will be approximately a few femto-meters. Therefore, an ultra-sensitive and ultra-fast displacement sensor is desired to monitor the resonator?s motion. Several research groups have been working at the edge of nanotechnology to develop such a high-performance resonator-sensor system. Despite the great effort, it has not been experimentally realized yet. In this thesis, we propose a new experimental methodology that has a major potential to approach the quantum limit. The method comprises of fabrication of a high frequency resonator with a built-in tunneling junction. Theoretical analyses reveal the clear advantage of a tunneling sensor over the presently applied capacitance based sensors. However, apparent complexities have detained their application to this problem. Here, we have developed and tested a new fabrication method that can overcome the major obstacles leading to application of this measurement scheme.