Mechanical resonators are excellent transducers for ultrasensitive detection applications. Recent advances such as vectorial force sensing and ultrahigh-resolution mass spectra rely on the identification of two flexural vibrational modes of a resonator. The orientations of the flexural modes with respect to the incident optical axis are crucial parameters for a cantilevered resonator. Previous methods have adopted complex experimental setups using quadrant photodetectors or have required simultaneous detection of two flexural modes of the cantilever. In this paper, we propose a method for determination of the orientations of the flexural vibrations of a cantilever using a microlens optical fiber interferometer that takes both the light interference and the lateral light scattering of the cantilever into account. We demonstrated the method by experimentally determining the orientation of the first three flexural vibrational modes of a thermally driven microwire. Our method can be used to characterize individual flexural modes with arbitrary orientations and thus provides a new tool for detecting vectorial forces.

1.
X. M. H.
Huang
,
C. A.
Zorman
,
M.
Mehregany
, and
M. L.
Roukes
,
Nature
421
,
496
(
2003
).
2.
F.
Xue
,
Y. X.
Liu
,
C. P.
Sun
, and
F.
Nori
,
Phys. Rev. B
76
,
064305
(
2007
).
3.
H.
Yamaguchi
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
103003
(
2017
).
4.
S. L.
Wang
,
Z. W.
Shan
, and
H.
Huang
,
Adv. Sci.
4
,
1600332
(
2017
).
5.
B. C.
Stipe
,
H. J.
Mamin
,
T. D.
Stowe
,
T. W.
Kenny
, and
D.
Rugar
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
2874
(
2001
).
6.
A.
Mehlin
,
F.
Xue
,
D.
Liang
,
H. F.
Du
,
M. J.
Stolt
,
S.
Jin
,
M. L.
Tian
, and
M.
Poggio
,
Nano Lett.
15
,
4839
(
2015
).
7.
L.
Chen
,
F.
Yu
,
Z. J.
Xiang
,
T.
Asaba
,
C.
Tinsman
,
B.
Lawson
,
P. M.
Sass
,
W. D.
Wu
,
B. L.
Kang
,
X. H.
Chen
, and
L.
Li
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
024005
(
2018
).
8.
Y. J.
Seo
,
K.
Harii
,
R.
Takahashi
,
H.
Chudo
,
K.
Oyanagi
,
Z. Y.
Qiu
,
T.
Ono
,
Y.
Shiomi
, and
E.
Saitoh
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
132409
(
2017
).
9.
F.
Xue
,
D. P.
Weber
,
P.
Peddibhotla
, and
M.
Poggio
,
Phys. Rev. B
84
,
205328
(
2011
).
10.
P.
Peddibhotla
,
F.
Xue
,
H. I. T.
Hauge
,
S.
Assali
, E.
P. A. M.
Bakkers
, and
M.
Poggio
,
Natl. Phys.
9
,
631
(
2013
).
11.
J. M.
Nichol
,
E. R.
Hemesath
,
L. J.
Lauhon
, and
R.
Budakian
,
Phys. Rev. B
85
,
054414
(
2012
).
12.
P. M.
Kosaka
,
V.
Pini
,
J. J.
Ruz
,
R. A.
da Silva
,
M. U.
Gonzlez
,
D.
Ramos
,
M.
Calleja
, and
J.
Tamayo
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
1047
(
2014
).
13.
E.
Gil-Santos
,
D.
Ramos
,
J.
Martínez
,
M.
Fernández-Regúlez
,
R.
García
,
A.
San Paulo
,
M.
Calleja
, and
J.
Tamayo
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
641
(
2010
).
14.
H.
Sakuma
,
M.
Tomoda
,
P. H.
Otsuka
,
O.
Matsuda
,
O. B.
Wright
,
T.
Fukui
,
K.
Tomioka
, and
I. A.
Veres
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
131902
(
2012
).
15.
A. K.
Vallabhaneni
,
J. F.
Rhoads
,
J. Y.
Murthy
, and
X. L.
Ruan
,
J. Vib. Acoust.
135
,
024504
(
2013
).
16.
D.
Davidovikj
,
J. J.
Slim
,
S. J.
Cartamil-Bueno
,
H. S. J.
van der Zant
,
P. G.
Steeneken
, and
W. J.
Venstra
,
Nano Lett.
16
,
2768
(
2016
).
17.
X. C.
Zhang
,
E. B.
Myers
,
J. E.
Sader
, and
M. L.
Roukes
,
Nano Lett.
13
,
1528
(
2013
).
18.
R.
Garcia
and
E. T.
Herruzo
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
217
(
2012
).
19.
C.
Doolin
,
P. H.
Kim
,
B. D.
Hauer
,
A. J. R.
MacDonald
, and
J. P.
Davis
,
New J. Phys.
16
,
035001
(
2014
).
20.
J.
Moser
,
J.
Güttinger
,
A.
Eichler
,
M. J.
Esplandiu
,
D. E.
Liu
,
M. I.
Dykman
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
493
(
2013
).
21.
L. M.
de Lépinay
,
B.
Pigeau
,
B.
Besga
,
P.
Vincent
,
P.
Poncharal
, and
O.
Arcizet
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
156
(
2017
).
22.
T.
Meier
,
B.
Eslami
, and
S. D.
Solares
,
Nanotechnology
27
,
085702
(
2016
).
23.
P.
Weber
,
J.
Güttinger
,
A.
Noury
,
J.
Vergara-Cruz
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Commun.
7
,
12496
(
2016
).
24.
D.
Ramos
,
E.
Gil-Santos
,
O.
Malvar
,
J. M.
Llorens
,
V.
Pini
,
A.
San Paulo
,
M.
Calleja
, and
J.
Tamayo
,
Sci. Rep.
3
,
3445
(
2013
).
25.
J.
Chaste
,
A.
Eichler
,
J.
Moser
,
G.
Ceballos
,
R.
Rurali
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
301
(
2012
).
26.
O.
Malvar
,
E.
Gil-Santos
,
J. J.
Ruz
,
D.
Ramos
,
V.
Pini
,
M.
Fernandez-Regulez
,
M.
Calleja
,
J.
Tamayo
, and
A.
San Paulo
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
033101
(
2013
).
27.
M. S.
Hanay
,
S. I.
Kelber
,
C. D.
O’Connell
,
P.
Mulvaney
,
J. E.
Sader
, and
M. L.
Roukes
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
339
(
2015
).
28.
Y.
Zhang
and
Y. P.
Zhao
,
Sens. Actuators B
221
,
305
(
2015
).
29.
S.
Olcum
,
N.
Cermak
,
S. C.
Wasserman
, and
S. R.
Manalis
,
Nat. Commun.
6
,
7070
(
2015
).
30.
M. S.
Hanay
,
S.
Kelber
,
A. K.
Naik
,
D.
Chi
,
S.
Hentz
,
E. C.
Bullard
,
E.
Colinet
,
L.
Duraffourg
, and
M. L.
Roukes
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
602
(
2012
).
31.
A.
Gloppe
,
P.
Verlot
,
E.
Dupont-Ferrier
,
A.
Siria
,
P.
Poncharal
,
G.
Bachelier
,
P.
Vincent
, and
O.
Arcizet
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
920
(
2014
).
32.
N.
Rossi
,
F. R.
Braakman
,
D.
Cadeddu
,
D.
Vasyukov
,
G.
Tütüncüoglu
,
A.
Fontcuberta i Morral
, and
M.
Poggio
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
150
(
2017
).
33.
D.
Ramos
,
E.
Gil-Santos
,
V.
Pini
,
J. M.
Llorens
,
M.
Fernández-Regúlez
,
A.
San Paulo
,
M.
Calleja
, and
J.
Tamayo
,
Nano Lett.
12
,
932
(
2012
).
34.
D.
Cadeddu
,
F. R.
Braakman
,
G.
Tütüncüoglu
,
F.
Matteini
,
D.
Rüffer
,
A.
Fontcuberta i Morral
, and
M.
Poggio
,
Nano Lett.
16
,
926
(
2016
).
35.
A. P.
Foster
,
J. K.
Maguire
,
J. P.
Bradley
,
T. P.
Lyons
,
A. B.
Krysa
,
A. M.
Fox
,
M. S.
Skolnick
, and
L. R.
Wilson
,
Nano Lett.
16
,
7414
(
2016
).
36.
M.
Sansa
,
E.
Sage
,
E. C.
Bullard
,
M.
Gély
,
T.
Alava
,
E.
Colinet
,
A. K.
Naik
,
L. G.
Villanueva
,
L.
Duraffourg
,
M. L.
Roukes
,
G.
Jourdan
, and
S.
Hentz
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
552
(
2016
).
37.
J.
Güttinger
,
A.
Noury
,
P.
Weber
,
A. M.
Eriksson
,
C.
Lagoin
,
J.
Moser
,
C.
Eichler
,
A.
Wallraff
,
A.
Isacsson
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
631
(
2017
).
38.
J.
Kosmaca
,
L.
Jasulaneca
,
R.
Meija
,
J.
Andzane
,
M.
Romanova
,
G.
Kunakova
, and
D.
Erts
,
Nanotechnology
28
,
325701
(
2017
).
39.
D. B.
Marghitu
and
M.
Dupac
, Advanced Dynamics: Analytical and Numerical Calculations with MATLAB (Springer, New York, 2012), p. 73.
40.
K. M.
Liew
,
K. C.
Hung
, and
M. K.
Lim
,
Int. J. Solids Struct.
30
,
3357
(
1993
).
41.
J. H.
Kang
and
A. W.
Leissa
,
Int. J. Mech. Sci.
46
,
929
(
2004
).
42.
D. R.
Kiracofe
,
M. M.
Yazdanpanah
, and
A.
Raman
,
Nanotechnology
22
,
295504
(
2011
).
43.
L. M.
de Lépinay
,
B.
Pigeau
,
B.
Besga
, and
O.
Arcizet
,
Nat. Commun.
9
,
1401
(
2018
).
44.
H. C.
van de Hulst
, Light Scattering by Small Particles (Dover, New York, 1981), pp. 297–302.
45.
C. H.
Fu
,
W. L.
Zhu
,
W.
Deng
,
F.
Xu
,
N.
Wang
,
L. K.
Zou
, and
F.
Xue
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
243101
(
2018
).
46.
S.
Timoshenko
,
History of Strength of Materials
(
McGraw-Hill
,
New York
,
1953
).
47.
J.
Tamayo
,
V.
Pini
,
P.
Kosaka
,
N. F.
Martinez
,
O.
Ahumada
, and
M.
Calleja
,
Nanotechnology
23
,
315501
(
2012
).
48.
J.
Tamayo
,
P. M.
Kosaka
,
J. J.
Ruz
,
A.
San Paulo
, and
M.
Calleja
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
1287
(
2013
).
49.
B.
Pigeau
,
S.
Rohr
,
L. M.
de Lépinay
,
A.
Gloppe
,
V.
Jacques
, and
O.
Arcizet
,
Nat. Commun.
6
,
8603
(
2015
).
50.
J.
Lee
,
A. B.
Kaul
, and
P. X. L.
Feng
,
Nanoscale
9
,
11864
(
2017
).
51.
M.
Poot
and
H. S. J.
van der Zant
,
Phys. Rep.
511
,
273
(
2012
).
52.
A.
Barg
,
Y.
Tsaturyan
,
E.
Belhage
,
W. H. P.
Nielsen
,
C. B.
Møller
, and
A.
Schliesser
,
Appl. Phys. B
123
,
8
(
2017
).
53.
Y.
Tsaturyan
,
A.
Barg
,
E. S.
Polzik
, and
A.
Schliesser
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
776
(
2017
).
You do not currently have access to this content.