Model beskriver vekselvirkninger mellem lys og mekanisk vibration i mikrohulrum

Optomekaniske mikrokaviteter er ekstremt små strukturer med diametre på mindre end 10 mikrometer (ca. en tiendedel af et menneskehår), indeni hvilke lette og mekaniske vibrationer er begrænset. Takket være deres lille størrelse og effektive mikrofremstillingsteknikker, der gør dem i stand til at holde på intens lysenergi og interagere med mekaniske bølger, mikrokaviteter kan bruges som masse- og accelerationssensorer og i Raman-spredning (en spektroskopiteknik, der anvendes til at analysere materialer, herunder gasser, væsker, og faste stoffer). En god forståelse af disse fænomener kan i fremtiden bidrage til fremskridt inden for områder som biomedicin, herunder udvikling af sensorer til at detektere molekyler, der tjener som kræftmarkører, for eksempel.

En undersøgelse udført ved University of Campinas' Photonics Research Center (Photonicamp), i staten São Paulo, Brasilien, undersøgte en mindre kendt proces forbundet med optomekanisk kobling, skabe en teoretisk model, der blev valideret ved simuleringer og sammenligninger med eksperimentelle resultater registreret i litteraturen. Forskerne rapporterer undersøgelsen i en artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"To uafhængige fænomener finder sted i disse systemer, " fortalte fysiker Thiago Alegre Agência FAPESP. "På den ene side, lys udøver pres på hulrummet, hvori det er indespærret. På den anden, mekaniske vibrationer spreder lyset. Interaktion mellem de to kan forekomme på to forskellige måder. Hvis det spredte lys forbliver inde i enheden, resultatet kaldes dispersiv interaktion. Hvis lyset slipper ud af hulrummet, det er kendt som dissipativ interaktion."

Alegre er professor ved University of Campinas Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) og forsker hos Photonicamp. Han var hovedforsker for undersøgelsen. Artiklens hovedforfatter er André Garcia Primo, hvem var hans ph.d. studerende på det tidspunkt. FAPESP støttede undersøgelsen via et direkte doktorgradsstipendium tildelt Primo, og stipendier eller tilskud til fem andre projekter (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 og 18/25339-4).

Professorerne Newton Cesário Frateschi og Gustavo Silva Wiederhecker fungerede som hovedefterforskere.

Dispersiv interaktion er velforstået og et grundlag for vigtige fremskridt inden for optomekanik, såsom LIGO-interferometeret, der detekterede gravitationsbølger i 2016, for eksempel, men dissipativ interaktion er sjældent blevet udforsket i eksperimenter. "Manglen på eksperimenter skyldes hovedsageligt manglen på et teoretisk grundlag, der er i stand til at redegøre for styrken af ​​dissipativ interaktion for en given enhed, " sagde Alegre. "Vores undersøgelse foreslår en teoretisk formulering for både dispersiv og dissipativ interaktion."

Forslaget involverer perturbationsteori, som forudsætter, at den optomekaniske vekselvirkning er rimelig svag, således at lette og mekaniske vibrationer kan behandles uafhængigt i en indledende tilnærmelse. Beskrivelsen af ​​optomekanisk kobling forenkles, når optisk og mekanisk opførsel beregnes separat.

"Nyheden er den måde, vi udførte det sidste trin på, " sagde Primo. "I bund og grund, i modsætning til hvad man altid har gjort, vi anså lysets adfærd i enheden for at være fysisk og matematisk påvirket af muligheden for, at lys kan undslippe hulrummet. Da vi tog dette i betragtning, vi indså, at både den dispersive og dissipative interaktion kunne beskrives med en høj grad af præcision."

I den sidste del af undersøgelsen, forskerne testede deres teori ved hjælp af to eksperimentelle eksempler, der er veldokumenterede i litteraturen. I et eksperiment, de undersøgte et optomekanisk hulrum lavet af silicium og viste, at begge interaktioner, det dispersive og det dissipative, var relevante for at forklare de observerede fænomener. "Vi viste, at vores teori stemmer overens med det udførte eksperiment og derfor kan betragtes som et værdifuldt instrument til at opnå enheder, hvori disse ukonventionelle fænomener er forstærket, " sagde Alegre.

Det andet eksempel involverede plasmoniske optomekaniske nanokaviteter lavet af guld. Nanokaviteter begrænser langt mindre mængder lys end mikrohulrum og opfører sig i det væsentlige som nanolenser. Det er muligt at detektere den mekaniske bevægelse af individuelle molekyler koblet med disse enheder. Denne mulighed har en bred vifte af applikationer, herunder påvisning af kemiske forbindelser i biologiske medier for at identificere stoffer, der kan indikere patologiske tilstande, for eksempel. "Vi viste med denne teori, at selvom det aldrig var blevet rapporteret, den dissipative spredning af lys af molekyler er ekstremt vigtig for de optomekaniske fænomener i disse systemer, " sagde Primo.

Alegre tilføjede, at nogle af de resultater, der er opnået i de seneste eksperimenter, og som endnu ikke er fuldt ud forstået, er korrekt beskrevet, når modellen produceret af den undersøgelse, han ledede, tages i betragtning.