Ricercatori dell'Istituto di fisica Gleb Wataghin dell'Università di Campinas (IFGW-UNICAMP) nello Stato di San Paolo, Brasile, hanno teorizzato un dispositivo fotonico al silicio che consentirebbe l'interazione di onde ottiche e meccaniche che vibrano a decine di gigahertz (GHz). Il dispositivo proposto è descritto in un articolo pubblicato su Rapporti scientifici .

"Attraverso simulazioni al computer, abbiamo proposto un dispositivo che potesse sfruttare un meccanismo per la diffusione della luce mediante vibrazioni meccaniche, chiamato dispersione Brillouin, e potrebbe essere trasposto su microchip fotonici, " disse Gustavo Silva Wiederhecker, un professore all'IFGW-UNICAMP e ricercatore principale per il progetto di nanofotonica.

Negli ultimi anni, Wiederhecker e il suo gruppo all'IFGW-UNICAMP si sono concentrati su questo meccanismo, che fu inizialmente descritto nel 1922 dal fisico francese León Nicolas Brillouin (1889-1969). Nella dispersione Brillouin, leggero, che consiste di fotoni, interagisce con le vibrazioni elastiche, che consistono di fononi, a frequenze molto alte (decine di GHz) in un mezzo trasparente.

Era impossibile sfruttare questo effetto in modo efficiente fino agli anni '60, quando il fisico statunitense Theodore Harold Maiman (1927-2007) inventò il laser. A quel tempo, i ricercatori hanno osservato che il campo elettromagnetico di un intenso raggio di luce trasmesso lungo una fibra ottica da una sorgente laser induce onde acustiche che si propagano lungo il materiale e diffondono la luce a una frequenza diversa da quella del laser.

"Questo meccanismo di diffusione della luce è facile da osservare nelle fibre ottiche, che può essere lungo centinaia di chilometri, perché è cumulativo, "Wiederhecker ha detto, il che significa che si accumula mentre le onde viaggiano lungo la fibra.

"È più difficile da osservare e sfruttare in un dispositivo optomeccanico su scala micrometrica a causa del minuscolo spazio in cui circola la luce". I dispositivi optomeccanici confinano simultaneamente le onde luminose e le onde meccaniche per consentire l'interazione tra loro.

Per superare questa limitazione dimensionale per quanto riguarda la propagazione della luce, Wiederhecker e il suo gruppo hanno sviluppato dischi di silicio con un diametro di circa 10 micron (μm), equivalente a un decimo dello spessore di un capello umano. I dischi fungono da microcavità.

Utilizzando una fibra ottica con un diametro di circa 2 μm, i ricercatori hanno accoppiato la luce a questo sistema. La luce viene riflessa dal bordo del materiale e ruota intorno alla cavità del disco migliaia di volte in pochi nanosecondi prima di dissiparsi.

Di conseguenza, la luce rimane nella cavità più a lungo e quindi interagisce maggiormente con il materiale, e gli effetti optomeccanici sono aumentati. "È come se la luce si propagasse su una distanza molto più grande, "Ha spiegato Wiederhecker.

Il problema è che una tale microcavità non consente alla luce a qualsiasi frequenza arbitraria di essere risonante (di propagarsi attraverso la cavità), sebbene consenta alla luce emessa originariamente dal laser di propagarsi. "Quindi non puoi sfruttare l'effetto di dispersione di Brillouin in queste microcavità, " Egli ha detto.

Utilizzando simulazioni al computer, i ricercatori hanno teoricamente costruito non un microdisco con una cavità, ma un sistema comprendente due microdischi di silicio con una cavità ciascuno. I dischi sono accoppiati lateralmente, e la distanza tra le loro cavità è minuscola, dell'ordine delle centinaia di nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). Questo sistema crea quello che è noto come effetto di separazione di frequenza.

Questo effetto separa leggermente la frequenza della luce diffusa dalle onde acustiche dalla frequenza della luce emessa dal laser, che è di 11-25 GHz, esattamente uguale a quello delle onde meccaniche, e fa sì che le migliaia di fononi (eccitazioni elementari delle onde acustiche) generate al secondo in questo sistema (a velocità comprese tra 50 kHz e 90 kHz) possano propagarsi nelle cavità.

Di conseguenza, è possibile osservare e sfruttare lo scattering di Brillouin in questo sistema micrometrico, secondo Wiederhecker.

"Mostriamo che con una potenza laser di circa 1 milliwatt, equivalente alla potenza di un puntatore laser da utilizzare in una presentazione di diapositive, per esempio, sarebbe possibile osservare l'effetto di dispersione di Brillouin in un sistema a cavità a doppio disco, " Egli ha detto.