(PhysOrg.com) -- I ricercatori del California Institute of Technology hanno creato un dispositivo di cristallo su nanoscala che, per la prima volta, consente agli scienziati di confinare le vibrazioni sia luminose che sonore nello stesso minuscolo spazio.

"Questo è un concetto completamente nuovo, " nota Oskar Pittore, professore associato di fisica applicata al Caltech. Painter è il principale investigatore sulla carta che descrive l'opera, che è stato pubblicato questa settimana nell'edizione online della rivista Natura . "Le persone hanno saputo manipolare la luce, e hanno saputo manipolare il suono. Ma non si erano resi conto che possiamo manipolare entrambi allo stesso tempo, e che le onde interagiranno molto fortemente all'interno di questa singola struttura."

Infatti, Il pittore fa notare, le interazioni tra suono e luce in questo dispositivo, soprannominato un cristallo optomeccanico, possono provocare vibrazioni meccaniche con frequenze fino a decine di gigahertz, o 10 miliardi di cicli al secondo. Essendo in grado di raggiungere tali frequenze, lui spiega, dà a questi dispositivi la possibilità di inviare grandi quantità di informazioni, e apre una vasta gamma di potenziali applicazioni, dai sistemi di comunicazione a onde luminose ai biosensori in grado di rilevare (o pesare) una singola macromolecola. Potrebbe anche, Pittore dice, essere utilizzato come strumento di ricerca dagli scienziati che studiano la nanomeccanica. "Queste strutture darebbero una sensibilità di massa che potrebbe rivaleggiare con i sistemi nanoelettromeccanici convenzionali perché la luce in queste strutture è più sensibile al movimento di un sistema elettrico convenzionale".

"E tutto questo, " Aggiunge, "può essere fatto su un microchip di silicio."

I cristalli optomeccanici si concentrano sulle unità di base, o quanti, di luce e suono. (Questi sono chiamati fotoni e fononi, rispettivamente.) Come nota Painter, c'è stata una ricca storia di ricerche sui cristalli sia fotonici che fononici, che utilizzano minuscole trappole energetiche chiamate bande gap per catturare quanti di luce o suono all'interno delle loro strutture.

Quello che non era stato fatto prima era mettere insieme quei due tipi di cristalli e vedere cosa sono capaci di fare. Questo è ciò che ha fatto il team Caltech.

"Ora abbiamo la capacità di manipolare il suono e la luce nella stessa nanopiattaforma, e sono in grado di interconvertire l'energia tra i due sistemi, " dice Painter. "E possiamo progettare questi in modi quasi illimitati."

Il volume in cui la luce e il suono sono confinati contemporaneamente è maggiore di 100, 000 volte più piccolo di quello di una cellula umana, osserva lo studente laureato Caltech Matt Eichenfield, il primo autore dell'articolo. "Questo fa due cose, " dice. "Prima, le interazioni della luce e del suono si intensificano al diminuire del volume a cui sono confinate. Secondo, la quantità di massa che deve muoversi per creare l'onda sonora diminuisce al diminuire del volume. Abbiamo reso il volume in cui la luce e il suono vivono così piccolo che la massa che vibra per produrre il suono è circa dieci volte inferiore a un trilionesimo di grammo".

Eichenfield sottolinea che, oltre a misurare le onde sonore ad alta frequenza, il team ha dimostrato che è effettivamente possibile produrre queste onde usando solo la luce. "Ora possiamo convertire le onde luminose in onde sonore a frequenza di microonde sulla superficie di un microchip di silicio, " lui dice.

Queste onde sonore, Aggiunge, sono analoghe alle onde luminose di un laser. "The way we have designed the system makes it possible to use these sound waves by routing them around on the chip, and making them interact with other on-chip systems. E, Certo, we can then detect all these interactions again by using the light. Essenzialmente, optomechanical crystals provide a whole new on-chip architecture in which light can generate, interact with, and detect high-frequency sound waves."

These optomechanical crystals were created as an offshoot of previous work done by Painter and colleagues on a nanoscale "zipper cavity, " in which the mechanical properties of light and its interactions with motion were strengthened and enhanced.

Like the zipper cavity, optomechanical crystals trap light; the difference is that the crystals trap—and intensify—sound waves, anche. Allo stesso modo, while the zipper cavities worked by funneling the light into the gap between two nanobeams—allowing the researchers to detect the beams' motion relative to one another—optomechanical crystals work on an even tinier scale, trapping both light and sound within a single nanobeam.

"Here we can actually see very small vibrations of sound trapped well inside a single 'string, ' using the light trapped inside that string, " says Eichenfield. "Importantly, although the method of sensing the motion is very different, we didn't lose the exquisite sensitivity to motion that the zipper had. We were able to keep the sensitivity to motion high while making another huge leap down in mass."

"As a technology, optomechanical crystals provide a platform on which to create planar circuits of sound and light, " says Kerry Vahala, the Ted and Ginger Jenkins Professor of Information Science and Technology and professor of applied physics, and coauthor on the Nature paper. "These circuits can include an array of functions for generation, detection, and control. Inoltre, " lui dice, "optomechanical crystal structures are fabricated using materials and tools that are similar to those found in the semiconductor and photonics industries. Collectively, this means that phonons have joined photons and electrons as possible ways to manipulate and process information on a chip."

And these information-processing possibilities are well within reach, notes Painter. "It's not one plus one equals two, but one plus one equals ten in terms of what you can do with these things. All of these applications are much closer than they were before."

"This novel approach to bringing both light and sound together and letting them play off of each other exemplifies the forward-thinking work being done by the Engineering and Applied Science (EAS) division, " says Ares Rosakis, chair of EAS and Theodore von Kármán Professor of Aeronautics and Mechanical Engineering at Caltech.

More information: "Optomechanical crystals, " Natura .

Source:California Institute of Technology (news :web)