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Phononischer Frequenzkamm erstmals beobachtet

Eine theoretische Vorhersage von CUI-Forscher Prof. Peter Schmelcher (Universität Hamburg) ist jetzt eindrucksvoll bestätigt worden: Im Fachmagazin Physical Review Letters berichten Prof. Ashwin Seshia und Kollegen an der University of Cambridge über eine Untersuchung von Phononen in einem rechteckigen Silikon-Wafer. Dabei konnten die Wissenschaftler erstmals einen phononischen Frequenzkamm beobachten.

Frequenzkamm

Nichtlineare Resonanzen von Vibrationen können zur Ausbildung von Frequenzkämmen führen. Foto: Schmelcher

Optische Frequenzkämme sind ein wichtiges Werkzeug für Präzisionsmessungen in der modernen Physik und finden Anwendungen in Feldern wie Metrologie, atomare Uhren und Spektroskopie. Im Jahr 2014 hatten Schmelcher und sein Team ebenfalls in Physical Review Letters gezeigt, dass nichtlineare Resonanzen von Vibrationen unter bestimmten Umständen zur Ausbildung solcher Frequenzkämme führen können. Der prognostizierte phononische Frequenzkamm basiert auf der Anregung von nur zwei oder drei Eigenmoden und offenbart sich dann in der Aufspaltung der intrinsischen Frequenz jeder Eigenmode und in eine Folge äquidistanter Spektrallinien.

Die Forscher aus Cambridge berichten nun, dass sich ihre Beobachtungen sehr gut durch die Modelluntersuchung von Schmelcher verstehen lassen. In ihrem Experiment untersuchten sie die Vibrationen eines mit einer Aluminiumnitritschicht bedeckten Wafers, die infolge einer angelegten oszillierenden Spannung auftreten. Bei bestimmten angelegten Frequenzen tritt überraschenderweise ein Vibrationsspektrum mit äquidistanten Linien auf, wie es vom optischen Frequenzkamm bekannt ist. Die Entstehung des Kamms lässt sich also auf nichtlineare Wechselwirkungen der Phononen zurückführen.

„Wir freuen uns sehr, dass mit den Experimenten eine  Bestätigung unserer Vorhersagen gelungen ist“, sagt Schmelcher. Damit bestehe jetzt die Möglichkeit, phononische Frequenzkämme  unter anderem in nanoelektronischen Sensoren für Präzessionsmessungen zu verwenden. Text: Adler/Behringer

Originalpublikation:
Ganesan A., Do C., and Seshia A.
Phononic Frequency Comb via Intrinsic Three-Wave Mixing
Phys. Rev. Lett. 118, 033903 (2017)
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.033903

Cao L.S., Qi D.X., Peng R.W., Wang M. and Schmelcher P.
Phononic Frequency Combs via Nonlinear Resonances
Physical Review Letters 112, 075505 (2014)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.075505

http://www.cui.uni-hamburg.de/2014/03/nichtlinearer-mechanismus-zur-erzeugung-von-frequenzkaemmen/