レーザー光でメカ振動子の熱ノイズを低減：光共振器を使用せず高集積化も可能

NTTと東北大学は2015年10月19日、精密な光共振器を必要としないレーザー照射装置で、高感度センサーや高精度発振器に用いられるメカニカル振動子の熱ノイズを低減する手法を実現したと発表した。

[竹本達哉，EE Times Japan]

NTTと東北大学「世界初」

　NTTと東北大学は2015年10月19日、高感度センサーや高精度発振器に用いられるメカニカル振動子の熱ノイズを、レーザー光を照射するだけで低減できる新原理のレーザー冷却手法を実現したと発表した。精密な光共振器を必要としない簡便で拡張性の高いノイズ低減の手法だとする。

　メカニカル振動子とは決まった周波数で振動が続く人工構造のことで、鉄琴の板や鐘などもその一種。昨今では、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を使用した微細なメカニカル振動子（MEMS振動子）が登場し、センサーや発振素子として応用されている。

　こうしたメカニカル振動子の性能を高める1つの要素として、熱ノイズの抑制がある。熱ノイズとは、熱に伴う原子のランダムな運動に起因するノイズのことで、通常の温度でも発生する。この原子の運動が、振動子を応用する時の原理的なノイズ源となり、振動子としての性能を制限しているとされる。

　この熱ノイズを抑える手法として、レーザーを照射することにより対象物からエネルギーを放出させ、冷却を行う「レーザー冷却手法」が提案されてきた。しかし、レーザー冷却のためには、光共振器と呼ばれる精密な調整が必要な光学部品が不可欠で、微細阻止への応用や集積化が難しかった。

　NTTと東北大の共同研究チームでは、MEMSや、MEMSをさらに小型化したNEMS（Nano Electro Mechanical Systems）の研究を進め、今回、光学特性と圧電特性に優れた半導体二層構造を用い、光共振器を用いないレーザー冷却を実現した。

左が、作製したメカニカル振動子の顕微鏡写真（上面図）。プールの飛び込み台のように、構造の右側が自由に上下できる構造になっている。右が、実験方法を模式的に示した図。振動子は200nm厚のAlGaAsと200nm 厚のGaAsの2層薄膜により作製。熱揺らぎによりこの振動子は上下に揺れるが、振動子の根元にレーザーを照射することで、熱振動を抑える （クリックで拡大） 出典：NTT

実証の結果、約半分の熱ノイズを抑制

熱ノイズによるメカニカル振動子の振動スペクトル。レーザー照射により、熱ノイズが約半分まで低減できることを確認した 出典：NTT

　研究チームがレーザー冷却を行ったメカニカル振動子は、長さ20μm、幅14μm、厚さ0.4μmの小さな板バネで心臓部を構成したもの。その小ささ、軽さから熱エネルギーによるランダムな振動（熱ノイズ）が発生する。これに対し、ガリウムヒ素（GaAs）とアルミガリウムヒ素（AlGaAs）の2相構造を用いて振動子を作成。レーザー光を振動子に照射するだけで、熱ノイズを抑えることに成功した。「光共振器を用いずにメカニカル振動子のレーザー冷却を実現したのは、世界で初めてといえる」（研究チーム）としている。

　研究チームでは、原理実証実験の結果、熱振動を約半分程度に抑制する効果を確認したという。「今後は構造の最適化を行うことにより、より大きな冷却効果を実現していく」（研究チーム）とし、さらなる熱抑制効果の実現に期待。また研究チームでは「レーザー素子との集積化や室温動作を実現し、半導体集積素子としての応用可能性を探っていく。その上で、実際の質量や光のセンサーへの応用を進めて行く予定」としている。