Enhed designet til at udnytte spredning af lys ved mekaniske vibrationer

Forskere ved University of Campinas' Gleb Wataghin Physics Institute (IFGW-UNICAMP) i São Paulo State, Brasilien, har teoretiseret en silicium fotonisk enhed, der ville gøre det muligt for optiske og mekaniske bølger, der vibrerer ved titusvis af gigahertz (GHz), at interagere. Den foreslåede enhed er beskrevet i en artikel offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

"Gennem computersimuleringer, vi foreslog en enhed, der kunne udnytte en mekanisme til spredning af lys ved mekaniske vibrationer, kaldet Brillouin-spredning, og kunne transponeres til fotoniske mikrochips, " sagde Gustavo Silva Wiederhecker, en professor ved IFGW-UNICAMP og hovedforsker for nanofotonikprojektet.

I de seneste år, Wiederhecker og hans gruppe på IFGW-UNICAMP har fokuseret på denne mekanisme, som oprindeligt blev beskrevet i 1922 af den franske fysiker León Nicolas Brillouin (1889-1969). I Brillouin-spredning, lys, som består af fotoner, interagerer med elastiske vibrationer, som består af fononer, ved meget høje frekvenser (tiere af GHz) i et gennemsigtigt medium.

Det var umuligt at udnytte denne effekt effektivt indtil 1960'erne, da den amerikanske fysiker Theodore Harold Maiman (1927-2007) opfandt laseren. På det tidspunkt, forskere observerede, at det elektromagnetiske felt af en intens lysstråle transmitteret langs en optisk fiber af en laserkilde inducerer akustiske bølger, der forplanter sig langs materialet og spreder lyset med en anden frekvens end laserens.

"Denne lysspredningsmekanisme er let at observere i optiske fibre, som kan være hundredvis af kilometer lang, fordi det er kumulativt, " sagde Wiederhecker, hvilket betyder, at det bygger sig op, når bølgerne bevæger sig langs fiberen.

"Det er sværere at observere og udnytte i en optomekanisk enhed på mikrometerskalaen på grund af det lille rum, hvori lyset cirkulerer." Optomekaniske enheder begrænser samtidig lysbølger og mekaniske bølger for at tillade interaktion mellem dem.

For at overvinde denne størrelsesbegrænsning med hensyn til lysudbredelse, Wiederhecker og hans gruppe udviklede siliciumskiver med en diameter på cirka 10 mikron (μm), svarende til en tiendedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Diskene fungerer som mikrokaviteter.

Ved at bruge en optisk fiber med en diameter på ca. 2 μm, forskerne koblede lys til dette system. Lyset reflekteres fra kanten af ​​materialet og snurrer rundt i diskhulen tusindvis af gange over et par nanosekunder, før det spredes.

Som resultat, lyset forbliver længere i hulrummet og interagerer derved mere med materialet, og de optomekaniske effekter forstærkes. "Det er, som om lyset forplanter sig over en meget større afstand, " forklarede Wiederhecker.

Problemet er, at et sådant mikrohulrum ikke tillader lys ved nogen vilkårlig frekvens at være resonans (for at forplante sig gennem hulrummet), selvom det gør det muligt for det lys, der oprindeligt udsendes af laseren, at forplante sig. "Så du kan ikke udnytte Brillouin-spredningseffekten i disse mikrohulrum, " han sagde.

Ved hjælp af computersimuleringer, forskerne konstruerede teoretisk set ikke en mikrodisk med et hulrum, men et system bestående af to siliciummikrodiske med hver et hulrum. Diskene er sideværts koblet, og afstanden mellem deres hulrum er lille, af størrelsesordenen hundreder af nanometer (en nanometer er en milliardtedel af en meter). Dette system skaber, hvad der er kendt som en frekvensseparationseffekt.

Denne effekt adskiller lidt frekvensen af ​​det lys, der spredes af de akustiske bølger, fra frekvensen af ​​det lys, der udsendes af laseren, som er 11-25 GHz - nøjagtigt det samme som de mekaniske bølger - og sikrer, at de tusindvis af fononer (elementære excitationer af akustiske bølger), der genereres pr. sekund i dette system (ved hastigheder fra 50 kHz til 90 kHz) kan forplante sig i hulrummene.

Som resultat, det er muligt at observere og udnytte Brillouin-spredning i dette mikrometriske system, ifølge Wiederhecker.

"Vi viser, at med en lasereffekt på omkring 1 milliwatt - svarende til effekten af ​​en laserpointer til brug i en diaspræsentation, for eksempel - det ville være muligt at observere Brillouin-spredningseffekten i et dobbelt-skive hulrumssystem, " han sagde.