Real-Time Measurement of Nanotube Resonator Fluctuations in an Electron Microscope

Abstract

Mechanical resonators based on low-dimensional materials provide a unique platform for exploring a broad range of physical phenomena. The mechanical vibrational states are indeed extremely sensitive to charges, spins, photons, and adsorbed masses. However, the roadblock is often the readout of the resonator, because the detection of the vibrational states becomes increasingly difficult for smaller resonators. Here, we report an unprecedentedly sensitive method to detect nanotube resonators with effective masses in the 10–20 kg range. We use the beam of an electron microscope to resolve the mechanical fluctuations of a nanotube in real-time for the first time. We obtain full access to the thermally driven Brownian motion of the resonator, both in space and time domains. Our results establish the viability of carbon nanotube resonator technology at room temperature and pave the way toward the observation of novel thermodynamics regimes and quantum effects in nanomechanics.

A coherent nanomechanical oscillator driven by single-electron tunnelling

“…However, to test these predictions by fully characterizing the resulting states requires time-resolved displacement measurements 21,22 , which have not yet been possible in this regime of strong backaction.…”

Тепловые Флуктуации И Резонансные Свойства Сканирующих Зондов На Основе Углеродных Нанотрубок

“…Проектирование АСМ-зондов и МЭМС на основе УНТ неразрывно связано с изучением их тепловых флуктуаций и резонансных свойств, а также температурных зависимостей указанных характеристик, поскольку внутренние тепловые колебания УНТ могут достигать по своему абсолютному значению величины порядка радиуса нанотрубки [9,10] и будут неизбежно вызывать в устройствах связанный с ними шум. Исследованию указанной проблемы посвящено несколько экспериментальных работ [9][10][11], авторы которых проводили наблюдение флуктуаций УНТ и оценку их механических параметров при помощи электронной микроскопии.…”

“…Проектирование АСМ-зондов и МЭМС на основе УНТ неразрывно связано с изучением их тепловых флуктуаций и резонансных свойств, а также температурных зависимостей указанных характеристик, поскольку внутренние тепловые колебания УНТ могут достигать по своему абсолютному значению величины порядка радиуса нанотрубки [9,10] и будут неизбежно вызывать в устройствах связанный с ними шум. Исследованию указанной проблемы посвящено несколько экспериментальных работ [9][10][11], авторы которых проводили наблюдение флуктуаций УНТ и оценку их механических параметров при помощи электронной микроскопии. Теоретических работ по данным вопросам насчитывается более десятка: некоторые из них используют для расчетов молекулярную динамику [12,13] или ее сочетание [14][15][16][17] с моделями упругого стержня Эйлера и Тимошенко [18,19] для проверки своих расчетов, другие -модели Эйлера и Тимошенко [18,19] в сочетании [20] с квантовой теорией или континуальные [21,22] и квазиконтинуальные [23,24] модели, учитывающие межатомные потенциалы взаимодействия.…”

Electron beam detection of a Nanotube Scanning Force Microscope

“…Despite the effort and recent progress, optical detection schemes can be hardly applied to nanotubes which are the ultimate mechanical oscillators and force sensors: their diameter, in fact, ranging from 1 nm to few tens of nanometers, is too small to be possibly detected with optical techniques. Very recently, electron microscopy has been shown to detect the thermally induced resonant properties of nanomechanical resonators with picogram effective masses 9 and even attogram scale carbon nanotubes 20 .…”