第一作者：Xinhe Wang，Lin Cong
通讯作者：姜开利，邓光伟
通讯单位：清华大学，电子科技大学
近日，清华大学姜开利教授团队联合电子科大邓光伟研究员等人在Nano Research发表论文，报道了纳米机械振子的非线性谐振的可视化及单电子斩波器研究新进展。由单根碳纳米管制成的机械振子可将纳米尺度的振动与单电子隧穿强耦合起来,为研究微观尺度非线性力学乃至机电混合量子系统提供了一个独特平台。目前在单电子隧穿对机械振动的调制方面已报道有系列发现，包括回复力软化，自发共振，及最近实现的声子相干激射等。然而，对机械振动如何反过来调制单电子输运则很少有阐述，非线性机械谐振与单电子隧穿的互动是一个连接非线性特性与量子体系的有趣话题。
在此项研究中，清华大学姜开利教授团队联合电子科大邓光伟研究员等通过转移组装单根碳纳米管来制成量子点-纳米谐振子混合体系,其（非简并）的弯曲振动模式具有丰富的非线性，并且在大振幅条件下，机械振动对碳纳米管量子点单电子隧穿的调制形成了单电子“斩波器”效应。而测量单电子隧穿的电流则可以刻画出纳米尺度非线性谐振，从而为两自由度纳米力学系统的多阶非线性问题提供了可视化方案。
作者发现二次和三次非线性不仅决定了两种非线性模态不同的调谐行为，而且导致了丰富的模态内耦合以及模态间耦合效应：不仅包括亚谐共振、合频激励，还包括分数频组合激励乃至相干振荡等，作者的发现展示了量子点-机械混合谐振器系统中的各种非线性及机-电强耦合效应，将推进电子-声子混合量子体系在高精度感测及信息处理方面的新奇应用。
在作者的器件中，悬空碳纳米管既形成量子点同时又是纳米机械振子，其振动位移改变了量子点的栅电容 ，因而库伦峰随着力学振动而震荡。
在库伦阻塞区，没有机械振动时则不会有电流流过量子点；而当存在机械振动时，库仑峰震荡并扫过阻塞区，导致出现瞬态的隧穿电流。测得的平均电流反映了库伦峰扫过费米面的持续时间，而这个持续时间与机械振动的时域信息是对应起来的，从而作者可以用电学测量准确地确定纳米尺度机械振动的运动过程，平均电流谱图中库仑峰的展宽就对应了振动幅值曲线。通过调节机械驱动频率，谐振的开始、演变和终止可以直接可视化。
作者发现，大振幅的机械谐振使单电子隧穿周期性地打开和关断，在一定条件下可形成单电子“斩波器”，即控制产生单电子序列。通过直流门电压调谐机械谐振的频率可以调整序列中的时间间隔。基于碳纳米管机械振子的单电子斩波具有工作频率范围宽(从MHz到GHz可调)、灵活、紧凑和耐用等优点，将可以用于单电子源、电荷量子比特控制等。
参考文献：
Wang, X., Cong, L., Zhu, D. et al. Visualizing nonlinear resonance in nanomechanical systems via single-electron tunneling. Nano Res. (2020).
https://doi.org/10.1007/s12274-020-3165-2
文章来源：纳米人
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