纳米机械谐振器对精密传感和新兴量子技术至关重要，但其极高灵敏度伴随一个此前未预期的脆弱性。

纳米机械器件可以在从未接触其他物体的情况下，丧失大部分维持振动的能力。EPFL研究人员发现，将绝缘材料置于距这些微小结构仅数百纳米处，会显著增加能量损耗，使其机械品质因子最多下降十倍。

该研究由Tobias J. Kippenberg团队完成并发表于Nature Physics。结果指出了一个此前未被充分认识的限制，影响超高精度传感器和量子技术。问题来源是一种电相互作用，使能量能够穿过原本空无一物的间隙逃逸。

振动在无物理接触条件下损失能量的机制

该机制始于俘获在机械谐振器内部的静电荷。结构振动时，这些电荷随之运动，在周围空间产生变化的电场。当二氧化硅或氮化硅等绝缘材料位于附近时，波动电场与该材料相互作用，并通过其微小电损耗使能量耗散。

该过程与非接触摩擦有关；该现象此前已在原子力显微镜中观察到。尽管表面从未接触，机械能仍从振动结构转移出去。由此产生的阻尼降低品质因子；品质因子衡量谐振器存储振动能量而非损失能量的效率。

实验显示损耗强烈依赖距离与频率

研究人员建立理论模型，预测低频振动会经历更大的能量损耗。为验证该预测，他们研究了悬置于介电层上方约500纳米（0.00002英寸）的氮化硅弦。通过测量不同振动模式的衰减速度，他们确认最低频模式承受最强的附加阻尼，与模型一致。

第二项实验考察为极高品质因子设计的谐振器。团队将振动弦置于光子晶体腔之间，间距仅数百纳米（约0.00001英寸）。随着间隙缩小，品质因子急剧下降，有时降至十分之一。研究人员还证明，其建模方法能够复现这些更复杂器件几何中的俘获电荷效应。

对量子技术与精密传感器的影响

纳米机械谐振器是制造在芯片上的微型振动组件，工作频率从几千赫兹到几吉赫兹。其灵敏度使其可用于检测质量、力、温度和压力的极小变化。它们也用作射频滤波器和芯片级时钟的组件。先进版本甚至可用于制备相对较大机械对象的量子态，并研究基础物理。

其中许多应用要求谐振器在极接近其他结构的条件下工作，尤其是在测量运动或将机械振动耦合到光和电系统时。EPFL的结果表明，在设计这类紧密集成器件时，即使没有物理接触，也必须考虑俘获电荷和介电损耗。

同一相互作用也可能具有实际用途。通过测量机械振动在绝缘表面附近如何损失能量，研究人员或可表征薄膜中的电损耗，或开发机械谐振器与其他电系统之间的受控相互作用。理解这些效应可帮助工程师在将日益灵敏的谐振器集成到复杂量子和传感设备时保持机械相干性。

参考文献：Amirali Arabmoheghi, Alessio Zicoschi, Guillermo Arregui, Mohammad J. Bereyhi, Yi Xia, Nils J. Engelsen and Tobias J. Kippenberg. Non-contact friction in ultracoherent nanomechanical resonators near dielectric materials. Nature Physics, 7 July 2026. DOI: 10.1038/s41567-026-03350-z