Cavity optomechanics for sensing force gradients in atomic force microscopy
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
In this thesis we investigate force gradient sensing based on the principles of cavity optomechanics, specifically in the context of atomic force microscopy (AFM). Tip-surface forces perturb the motion of a cantilever and the cantilever's change of motion is detected with an integrated compact low-noise motion sensor based on cavity optomechanics.
To this end we design and fabricate probes on a wafer scale. The probes consist of a cantilever in the shape of a triangular Si-N cantilever released from a substrate of Si. We fabricate low-frequency, 700 kHz, cantilevers as well as high-frequency, 5 MHz, cantilevers allowing for operation in the resolved sideband regime. At the base of the cantilever we fabricate a superconducting microwave resonant circuit (cavity) patterned from a thin film of Nb-Ti-N. The microwave circuit has a resonance frequency of 4-5 GHz. The coupling between the cantilever and the microwave circuit is based on strain modulation of the kinetic inductance of a meandering nanowire placed at the base of the cantilever. The mechanical motion can thus be detected through the modulation of the cavity resonance frequency.
We characterise the mechanical mode as well as the microwave circuit and demonstrate the novel strain dependent coupling. We investigate the losses of the microwave circuit and find that in the temperature range 1.7-6 K the losses are not dominated by thermal-equilibrium quasi-particles. We also explore the possibility of using the nonlinear current dependence of the kinetic inductance as means to parametrically amplify the motional sidebands produced by the optomechanical interaction. Finally, with a prototype scanner assembly for low-temperature AFM we detect force gradients and image a surface implementing a two-tone pumping scheme for the microwave circuit while actuating the mechanical resonator.
Abstract [sv]
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.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. , p. 84
Publication channel
978-91-8106-130-7
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2024:56
Keywords [en]
force gradient sensing, cavity optomechanics, atomic force microscopy, kinetic inductance, superconductivity
Keywords [sv]
kraftgradientavkänning, kavitetsoptomekanik, atomkraftmikroskopi, kinetisk induktans, supraledning
National Category
Physical Sciences
Research subject
Physics, Material and Nano Physics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-356559ISBN: 978-91-8106-130-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-356559DiVA, id: diva2:1914177
Public defence
2024-12-13, FD41, Roslagstullsbacken 21, AlbaNova, Stockholm, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research, ITM17-0343EU, Horizon 2020, 828966
Note
QC 2024-11-19
2024-11-192024-11-182025-02-06Bibliographically approved
List of papers