Вчені з Кембриджського Університету створили мікромеханічний фононний пристрій - вібраційний еквівалент оптичної частотної гребінки, яка справила революцію в області високоточних вимірювань на початку 2000-х років. Опис експерименту опубліковано в журналі
«Оптична гребінка», розроблена Джоном Холлом і Теодором Хеншем, за яку вони отримали половину Нобелівської премії з фізики за 2005 рік, - особливий тип випромінювання, яке складається з досить великого числа окремих спектральних ліній, що відстоять один від одного на рівну фіксовану частоту (тому спектр такого випромінювання і нагадує гребінку). Вона забезпечує точність вимірювань, необхідних в атомних годинах та інших високоточних пристроях, і використовується, наприклад, для пошуку екзопланет та інших досліджень космосу.
У новій роботі дослідники отримали фононну частотну гребінку, яка виробляє спектр вібрацій з таким же розподілом частот, яке видає оптична гребінка. Відкриття було зроблено майже випадково - насправді, дослідники не ставили за мету створити аналог оптичної гребінки, а вивчали поведінку фононів (квантів коливальних рухів атомів) у кристалічній решітці пластини кремнію. Експериментальна конструкція являла собою пластину, прикріплену до опорної конструкції в двох місцях, таким чином, що вона могла вібрувати у відповідь на коливальну напругу. Вчені спостерігали вібрацію пластини шляхом вимірювання параметрів відбитого від поверхні пластини лазерного променя - таким чином вони могли виміряти просторову структуру і частоти фононів.
Вчені виявили, що при застосуванні вихідного коливального напруження з певними частотами реакція пластини в місцях з найбільшою амплітудою руху мала форму частотної гребінки. Так, для вхідної частоти 3,862 МГц спектр вібрації показав кілька піків, розділених на 2,6 кГц. У пошуках причин несподіваного відкриття дослідники знайшли теоретичні викладки німецьких вчених 2014 року з описом схеми створення фононної гребінки. Дослідники Гамбурзького університету вивчали так звані ланцюги Фермі-Паста-Улама (FPU) - набори мас, з'єднаних струнами, що моделюють поведінку фотонів у кристалічній решітці. Поворотні сили цих структур залежать не тільки від довжини, на яку вони розтягнуті, але також від ступенів цієї довжини (квадрата і куба). Коливання ланцюга представляють однорозмірні фонони, а нелінійність структури дозволяє фононам взаємодіяти між собою і створювати нові фонони з новими частотами. Німецькі вчені показали в теорії, що коливання одного кінця ланцюга FPU з частотою, яка відрізняється від суми резонують частот вузлів ланцюга, утворює частотну гребінку.
Виявилося, що хоча модель ланцюгів FPU не охоплює всієї складності фононної поведінки в пластині, вона дає пояснення виникненню ефекту частотної гребінки, який вчені спостерігали у своєму експерименті. Так само, як у моделі FPU, для отримання гребінки вихідна частота повинна була відрізнятися від суми частот фононів в пластині - при дотриманні цієї умови виникав гребінковий спектр з передбачуваною відстанню між піками. Варіації параметрів гребінки при зміні частоти і сили вихідного коливання також слідували передбаченням FPU-моделі.
Головна складність експерименту полягала у визначенні потрібної вихідної частоти коливання - частотна гребінка виникала тільки при перевищенні силою вихідних коливань певного порогового значення. Вчені сподіваються вдосконалити експериментальну установку для більш ефективного отримання частотних гребінець.
Німецькі дослідники згодні з тим, що експеримент британських вчених підтвердив їх теоретичні розрахунки. Вони також відзначають, що оскільки частотна гребінка створює додатковий набір фононів, що передають коливальну енергію по пластині, пристрій має потенційну можливість поглинати цю енергію, підвищуючи власну ефективність.
Новий пристрій може бути застосовано в мікро- і нано-електромеханічних системах, де частотні інтервали гребінки забезпечать точні і стабільні стандарти частот навіть більш низьких, ніж фононні частоти. Такі властивості будуть особливо цінними для виявлення змін у тривалих часових інтервалах - наприклад у гравіметрах, що вимірюють повільні зміни гравітаційного поля Землі.