We investigate the electromechanical actuation of a pair of suspended silicon nitride membranes forming a monolithic optomechanical array. By controlling the membrane resonators' tensile stress via a piezoelectrically controlled compressive force applied to the membrane chip, we demonstrate noninvasive tuning of their mechanical mode spectrum, as well as strong intermode electromechanical coupling. Piezoelectric actuation is also shown to enhance the nonlinear response of the membranes, which is evidenced either by parametric amplification of the fundamental mode thermal fluctuations or by resonant driving of these modes into high amplitude states. Such an electro-optomechanical membrane array represents an attractive tunable and versatile platform for sensing, photonics, and optomechanics applications.

1.
L.
Midolo
,
A.
Schliesser
, and
A.
Fiore
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
11
(
2018
).
2.
K. L.
Ekinci
and
M. L.
Roukes
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
061101
(
2005
).
3.
M.
Li
,
H. X.
Tang
, and
M. L.
Roukes
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
114
(
2007
).
4.
M.
Aspelmeyer
,
T. J.
Kippenberg
, and
F.
Marquardt
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
1391
(
2014
).
5.
L.
Fan
,
C.-L.
Zou
,
N.
Zhu
, and
H. X.
Tang
,
Nat. Photonics
13
,
323
(
2019
).
6.
K. L.
Turner
,
S. A.
Miller
,
P. G.
Hartwell
,
N. C.
MacDonald
,
S. H.
Strogatz
, and
S. G.
Adams
,
Nature
396
,
149
(
1998
).
7.
S.-B.
Shim
,
M.
Imboden
, and
P.
Mohanty
,
Science
316
,
95
(
2007
).
8.
M. H.
Matheny
,
M.
Grau
,
L. G.
Villanueva
,
R. B.
Karabalin
,
M. C.
Cross
, and
M. L.
Roukes
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
014101
(
2014
).
9.
I.
Mahboob
,
K.
Nishiguchi
,
H.
Okamoto
, and
H.
Yamaguchi
,
Nat. Phys.
8
,
503
(
2012
).
10.
T.
Faust
,
J.
Rieger
,
M. J.
Seitner
,
J. P.
Kotthaus
, and
E. M.
Weig
,
Nat. Phys.
9
,
485
(
2013
).
11.
H.
Okamoto
,
A.
Gourgout
,
C.-Y.
Chang
,
K.
Onomitsu
,
I.
Mahboob
,
E. Y.
Chang
, and
H.
Yamaguchi
,
Nat. Phys.
9
,
480
(
2013
).
12.
I.
Mahboob
,
H.
Okamoto
,
K.
Onomitsu
, and
H.
Yamaguchi
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
167203
(
2014
).
13.
F.
Yang
,
F.
Rochau
,
J. S.
Huber
,
A.
Brieussel
,
G.
Rastelli
,
E. M.
Weig
, and
E.
Scheer
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
154301
(
2019
).
14.
J. S.
Huber
,
G.
Rastelli
,
M.
Seitner
,
J.
Maximilian
,
J.
Kölbl
,
W.
Belzig
,
M. I.
Dykman
, and
E. M.
Weig
, preprint arXiv:1903.07601 (
2019
).
15.
C.
Reinhardt
,
T.
Müller
,
A.
Bourassa
, and
J. C.
Sankey
,
Phys. Rev. X
6
,
021001
(
2016
);
C.
Reinhardt
,
T.
Müller
,
A.
Bourassa
, and
J. C.
Sankey
,
Erratum
7
,
039901
(
2017
).
16.
J.
Guo
,
R. A.
Norte
, and
S.
Gröblacher
,
Opt. Express
25
,
9196
(
2017
).
17.
A.
Naesby
,
S.
Naserbakht
, and
A.
Dantan
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
201103
(
2017
).
18.
T.
Bagci
,
A.
Simonsen
,
S.
Schmid
,
L. G.
Villanueva
,
E.
Zeuthen
,
J.
Appel
,
J. M.
Taylor
,
A.
Sørensen
,
K.
Usami
,
A.
Schliesser
, and
E. S.
Polzik
,
Nature
507
,
81
(
2014
).
19.
R. W.
Andrews
,
R. W.
Peterson
,
T. P.
Purdy
,
K.
Cicak
,
R. W.
Simmonds
,
C. A.
Regal
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
10
,
321
(
2014
).
20.
J. M.
Fink
,
M.
Kalaee
,
A.
Pitanti
,
R.
Norte
,
L.
Heinzle
,
M.
Davanço
,
K.
Srinivasan
, and
O.
Painter
,
Nat. Commun.
7
,
12396
(
2016
).
21.
I. M.
Haghighi
,
N.
Malossi
,
R.
Natali
,
G.
Di Giuseppe
, and
D.
Vitali
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
034031
(
2018
).
22.
J. D.
Thompson
,
B. M.
Zwickl
,
A. M.
Jayich
,
F.
Marquardt
,
S. M.
Girvin
, and
J. G. E.
Harris
,
Nature
452
,
72
(
2008
).
23.
D. J.
Wilson
,
C. A.
Regal
,
S. B.
Papp
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
207204
(
2009
).
24.
T. P.
Purdy
,
R. W.
Peterson
, and
C. A.
Regal
,
Science
339
,
801
(
2013
).
25.
T. P.
Purdy
,
P.-L.
Yu
,
R. W.
Peterson
,
N. S.
Kampel
, and
C. A.
Regal
,
Phys. Rev. X
3
,
031012
(
2013
).
26.
M.
Underwood
,
D.
Mason
,
D.
Lee
,
H.
Xu
,
L.
Jiang
,
A. B.
Shkarin
,
K.
Børkje
,
S. M.
Girvin
, and
J. G. E.
Harris
,
Phys. Rev. A
92
,
061801
(
2015
).
27.
R. W.
Peterson
,
T. P.
Purdy
,
N. S.
Kampel
,
R. W.
Andrews
,
P.-L.
Yu
,
K. W.
Lehnert
, and
C. A.
Regal
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
063601
(
2016
).
28.
W. H. P.
Nielsen
,
Y.
Tsaturyan
,
C. B.
Møller
,
E. S.
Polzik
, and
A.
Schliesser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
62
(
2017
).
29.
M.
Rossi
,
D.
Mason
,
J.
Chen
,
Y.
Tsaturyan
, and
A.
Schliesser
,
Nature
563
,
53
(
2018
).
30.
P.
Piergentili
,
L.
Catalini
,
M.
Bawaj
,
S.
Zippilli
,
N.
Malossi
,
R.
Natali
,
D.
Vitali
, and
G. D.
Giuseppe
,
New J. Phys.
20
,
083024
(
2018
).
31.
C.
Gärtner
,
J. P.
Moura
,
W.
Haaxman
,
R. A.
Norte
, and
S.
Gröblacher
,
Nano Lett.
18
,
7171
(
2018
).
32.
X.
Wei
,
J.
Sheng
,
C.
Yang
,
Y.
Wu
, and
H.
Wu
,
Phys. Rev. A
99
,
023851
(
2019
).
33.
M.
Bhattacharya
and
P.
Meystre
,
Phys. Rev. A
78
,
041801
(
2008
).
34.
M. J.
Hartmann
and
M. B.
Plenio
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
200503
(
2008
).
35.
A.
Xuereb
,
C.
Genes
, and
A.
Dantan
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
223601
(
2012
).
36.
H.
Seok
,
L. F.
Buchmann
,
S.
Singh
, and
P.
Meystre
,
Phys. Rev. A
86
,
063829
(
2012
).
37.
A.
Xuereb
,
C.
Genes
,
G.
Pupillo
,
M.
Paternostro
, and
A.
Dantan
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
133604
(
2014
).
38.
T.
Kipf
and
G. S.
Agarwal
,
Phys. Rev. A
90
,
053808
(
2014
).
39.
B.
Nair
,
A.
Xuereb
, and
A.
Dantan
,
Phys. Rev. A
94
,
053812
(
2016
).
40.
F.
Bemani
,
A.
Motazedifard
,
R.
Roknizadeh
,
M. H.
Naderi
, and
D.
Vitali
,
Phys. Rev. A
96
,
023805
(
2017
).
41.
H.
Xu
,
D.
Mason
,
L.
Jiang
, and
J. G. E.
Harris
,
Nature
537
,
80
(
2016
).
42.
Y. S.
Patil
,
S.
Chakram
,
L.
Chang
, and
M.
Vengalattore
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
017202
(
2015
).
43.
A.
Pontin
,
M.
Bonaldi
,
A.
Borrielli
,
L.
Marconi
,
F.
Marino
,
G.
Pandraud
,
G. A.
Prodi
,
P. M.
Sarro
,
E.
Serra
, and
F.
Marin
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
103601
(
2016
).
44.
S.
Wu
,
J.
Sheng
,
X.
Zhang
,
Y.
Wu
, and
H.
Wu
,
AIP Adv.
8
,
015209
(
2018
).
45.
D.
Rugar
and
P.
Grütter
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
699
(
1991
).
46.
47.
B.
Nair
,
A.
Naesby
, and
A.
Dantan
,
Opt. Lett.
42
,
1341
(
2017
).
48.
Noliac NAC2123
, http://www.noliac.com/.
49.
D. W.
Carr
,
S.
Evoy
,
L.
Sekaric
,
H. G.
Craighead
, and
J. M.
Parpia
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1545
(
2000
).
50.
I.
Mahboob
and
H.
Yamaguchi
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
173109
(
2008
).
51.
R. B.
Karabalin
,
S. C.
Masmanidis
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
183101
(
2010
).
52.
O.
Thomas
,
F.
Mathieu
,
W.
Mansfield
,
C.
Huang
,
S.
Trolier-McKinstry
, and
L.
Nicu
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
163504
(
2013
).
53.
M. J.
Seitner
,
M.
Abdi
,
A.
Ridolfo
,
M. J.
Hartmann
, and
E. M.
Weig
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
254301
(
2017
).
54.
D. W.
Jordan
and
P.
Smith
,
Nonlinear Ordinary Differential Equations
, 2nd ed. (
Clarendon Press
,
Oxford
,
1987
).
You do not currently have access to this content.