超流動ヘリウムにおける励起エネルギーの輸送過程の解明に向けて、ミクロスケールでフォノンやロトン等の素励起を検出するためのマイクロ/ナノ電気機械システム(MEMS/NEMS)共振器の開発に取り組んだ。３D光造形装置を用いて、華僑梁構造の光硬化性樹脂製共振器を作製した。これまでの開発研究で改良した加工条件により、造形時のブロック段差による電極の段切れを回避した。また、電気情報工学科の野田研究室所有のプラズマスパッタ装置を用いることで、造形した試料ガラス基板に直接アルミニウム電極を製膜し、これにより、GNDショートせずに電気的導通をとることに成功した。第一段階として幅10μm、厚さ5μm、長さ50μmのマイクロサイズビーム(MB)共振器を準備し、マイクロマニピュレータおよびピンセット、精密はさみ等を用いてアルミ配線を行った。GM冷凍機を用いて本試料を温度3.6Kまで冷却して、真空中で共振テストを行った。磁場50mTのもと交流電流による駆動を試みたところ、周波数約1.9MHzに共鳴ピークを観測した。既知の物性値を用いて梁構造モデル計算を行ったところ、支持端条件の基本モードの共鳴周波数と比較的妥当の値であることがわかった。また、複数の共振モードの観測にも成功した。同様の作製方法で幅7μmのMB共振器も作製し、低温真空中での測定により系統的に共振特性を調べた。結論として、光硬化性樹脂製のMB共振器を低温領域で初めて共振させることに成功した。今後、同様の方法によるナノサイズ共振器の作製とともに、液体ヘリウム中での実験により、素励起に対する応答についての検証が期待される。しかし、本結果に対してローレンンチアン解析を行ったところ、共振のQ値が16と低い値であったことが課題として残った。現在、Comsolによる有限要素法シミュレーションにより共振Q値について調べている。計算結果をもとに、共振器の構造の改良によるQ値向上が望まれる。
I developed micro/nanoelectromechanical system(MEMS/NEMS) for microscale detection of elementary excitations such as phonon, roton, aiming to elucidate processes of excitation energy transport in superfluid helium. Photocurable resin resonators with bridged beam structure were fabricated using a 3D photofabrication machine. The fabrication condition established in the previous research enabled to prevent the step-cut of electrodes associated with stepwise blocks, and on top of that, Noda lab's plasma sputtering device in the department of electronics and electrical engineering enabled to directly deposit aluminium electrode films without a short to GND. I prepared micron-sized beam(MB) resonators with a width of 10μm, a thickness of 5μm and a length of 50μm as a first step, followed by aluminium wiring with a micromanipulator, tweezers and scissors. In resonance measurements in vacuum at 3.6 K with a GM cryostat, I observed a resonance peak at a frequency of 1.9 MHz by an AC current operation at a magnetic field of 50 mT. A numerical simulation for a beam-structure model using known parameters revealed that the observed resonance frequency is consistent with that in a fundamental mode in a supported end condition. In addition, I successfully observed some harmonic resonance modes in oscillation. I prepared another MB resonator with a width of 7μm and systematically investigated resonance properties of the resonators in vacuum at low temperatures. As a result, I first succeeded in resonance operation of MB resonators made of photocurable resin at a low temperature region. It is hopeful for the future to fabricate nano-sized resonators and demonstrate responses to elementary excitations in liquid-helium experiments. However, the issue remains that a Lorentzian fitting analysis revealed a low Q-value of 16 in resonance oscillation. A simulation with a finite element method using Comsol is ongoing for investigation of the Q-value issue. Improvement of resonator structure following the simulation results is desirable to realize a high Q-value in resonance.
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