Le microcavità optomeccaniche sono strutture estremamente piccole con diametri inferiori a 10 micrometri (circa un decimo di un capello umano) all'interno delle quali sono confinate le vibrazioni luminose e meccaniche. Grazie alle loro ridotte dimensioni e ad efficienti tecniche di microfabbricazione che consentono loro di trattenere un'intensa energia luminosa e di interagire con le onde meccaniche, le microcavità possono essere utilizzate come sensori di massa e di accelerazione e nello scattering Raman (una tecnica di spettroscopia utilizzata per analizzare materiali, compresi i gas, liquidi, e solidi). Una buona comprensione di questi fenomeni può contribuire in futuro a progressi in settori come la biomedicina, compreso lo sviluppo di sensori per rilevare molecole che fungono da marcatori del cancro, Per esempio.

Uno studio condotto presso il Photonics Research Center (Photonicamp) dell'Università di Campinas, nello stato di San Paolo, Brasile, ha studiato un processo meno noto associato all'accoppiamento optomeccanico, creando un modello teorico che è stato validato da simulazioni e confronti con risultati sperimentali registrati in letteratura. I ricercatori riportano lo studio in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica .

"Due fenomeni indipendenti si verificano in questi sistemi, " ha detto il fisico Thiago Alegre ad Agência FAPESP. "Da un lato, la luce esercita una pressione sulla cavità in cui è confinata. Dall'altra, vibrazioni meccaniche disperdono la luce. L'interazione tra i due può avvenire in due modi diversi. Se la luce diffusa rimane all'interno del dispositivo, il risultato è chiamato interazione dispersiva. Se la luce fuoriesce dalla cavità, è nota come interazione dissipativa."

Alegre è professore presso l'Istituto di fisica Gleb Wataghin dell'Università di Campinas (IFGW-UNICAMP) e ricercatore presso Photonicamp. Era il ricercatore principale per lo studio. L'autore principale dell'articolo è André Garcia Primo, chi era il suo dottorato di ricerca studente in quel momento. FAPESP ha sostenuto lo studio tramite una borsa di studio di dottorato diretta assegnata a Primo, e borse di studio o sovvenzioni per altri cinque progetti (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 e 18/25339-4).

I professori Newton Cesário Frateschi e Gustavo Silva Wiederhecker hanno agito come investigatori principali.

L'interazione dispersiva è ben compresa ed è una base per importanti progressi nell'optomeccanica, come l'interferometro LIGO che ha rilevato le onde gravitazionali nel 2016, Per esempio, ma l'interazione dissipativa è stata raramente esplorata negli esperimenti. "La scarsità di esperimenti è dovuta principalmente alla mancanza di un fondamento teorico in grado di spiegare la forza dell'interazione dissipativa per un dato dispositivo, " Ha detto Alegre. "Il nostro studio propone una formulazione teorica sia per l'interazione dispersiva che dissipativa".

La proposta riguarda la teoria delle perturbazioni, che presuppone che l'interazione optomeccanica sia ragionevolmente debole in modo che le vibrazioni luminose e meccaniche possano essere trattate indipendentemente in una prima approssimazione. La descrizione dell'accoppiamento optomeccanico è semplificata quando il comportamento ottico e meccanico sono calcolati separatamente.

"La novità è il modo in cui abbiamo eseguito l'ultimo passaggio, " Primo ha detto. "Essenzialmente, contrariamente a quanto è sempre stato fatto, abbiamo ritenuto che il comportamento della luce nel dispositivo sia fisicamente e matematicamente influenzato dalla possibilità che la luce possa fuoriuscire dalla cavità. Quando ne abbiamo tenuto conto, ci siamo resi conto che sia l'interazione dispersiva che quella dissipativa potevano essere descritte con un alto grado di precisione".

Nella parte finale dello studio, i ricercatori hanno testato la loro teoria attraverso due esempi sperimentali ben documentati in letteratura. In un esperimento, hanno studiato una cavità optomeccanica fatta di silicio e hanno mostrato che entrambe le interazioni, il dispersivo e il dissipativo, erano rilevanti per spiegare i fenomeni osservati. "Abbiamo dimostrato che la nostra teoria si accorda pienamente con l'esperimento eseguito e può quindi essere considerata un valido strumento per ottenere dispositivi in ​​cui si amplificano questi fenomeni non convenzionali, " ha detto Alegre.

Il secondo esempio riguardava nanocavità optomeccaniche plasmoniche fatte d'oro. Le nanocavità confinano quantità di luce molto inferiori rispetto alle microcavità e si comportano essenzialmente come nanolenti. È possibile rilevare il movimento meccanico delle singole molecole accoppiate a questi dispositivi. Questa possibilità ha una vasta gamma di applicazioni, compresa la rilevazione di composti chimici nei mezzi biologici per identificare sostanze che possono indicare condizioni patologiche, Per esempio. "Abbiamo mostrato con questa teoria che sebbene non fosse mai stata riportata, la diffusione dissipativa della luce da parte delle molecole è estremamente importante per i fenomeni optomeccanici in questi sistemi, " ha detto Primo.

Alegre ha aggiunto che alcuni dei risultati ottenuti in recenti esperimenti e non ancora del tutto compresi sono descritti correttamente quando si tiene conto del modello prodotto dallo studio da lui condotto.