Optomekaniska anordningar, som samtidigt begränsar ljusvågor och mekaniska vågor för att möjliggöra interaktion mellan dem, kan användas för att studera grundläggande frågor inom fysik och för att känna av rörelse på samma sätt som elektromekaniska accelerometrar. I smartphones, dessa elektroniska komponenter växlar pekskärmen mellan stående och liggande när de upptäcker rotation av användaren.

Enligt experter på området, dock, användningen av optomekaniska anordningar för att studera makroskopiska kvantfenomen eller för att identifiera mycket subtila rörelser kräver extremt höga nivåer av interaktion, eller koppling, mellan ljusvågor och mekaniska vågor.

En grupp forskare ledda av Thiago Pedro Mayer Alegre och Gustavo Silva Wiederhecker vid University of Campinas Gleb Wataghin Physics Institute (IF-UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien, har utvecklat en optomekanisk enhet med en ny design som ökar kopplingen mellan ljusvågor och mekaniska vågor till högre nivåer än de som rapporterats för liknande enheter utvecklade i laboratoriet. Deras arbete stöddes av FAPESP.

Den nya optomekaniska enheten och en experimentell demonstration av dess funktion beskrivs i Optik Express .

"Sättet vi designade enheten på gör att nivåerna av interaktion mellan ljusvågor och mekaniska vågor kan ökas, sa Alegre.

"Detta betyder att enheten har praktiska tillämpningar och hjälper oss i vår grundforskning genom att hjälpa oss att svara på vissa frågor, till exempel vad som händer i övergången mellan den kvantmikroskopiska världen och den klassiska makroskopiska världen."

Enheten skapad av forskarna, baserad på en 24-mikrons kiselskiva som stöds av en central piedestal av kiseldioxid som låter skivan vibrera, har en bullseye-form med koncentriska cirkulära spår. Tack vare denna form, ljusvågor och mekaniska vågor kan begränsas inuti enheten genom separata mekanismer. Ljusvågorna begränsas endast vid kanten av skivan av total intern reflektion, ett optiskt fenomen där ljus i ett medium som vatten eller glas reflekteras fullständigt från de omgivande ytorna (som luftgränsytan) tillbaka in i mediet, förutsatt att infallsvinkeln är större än en viss begränsningsvinkel som kallas den kritiska vinkeln.

Ljusvågor komprimeras därför nära skivkanten och färdas runt ringarna under lång tid, medan mekaniska vibrationer kan fortplanta sig genom hela materialet. Dock, de koncentriska ringarna skapar frekvensområden där mekaniska vågor inte kan fortplanta sig, och är begränsade till skivans ytterkant, där de interagerar direkt med ljusvågorna.

"Att begränsa ljusvågor och mekaniska vågor till skivkanten gör det möjligt för oss att öka deras interaktion, vilket är användbart för att utforska kvantfenomen i makroskopiska objekt, " förklarade Alegre.

I enheter utvecklade av andra forskargrupper, de koncentriska cirkulära spåren används för att begränsa ljusvågor i det centrala området och inte vid kanten, som i fallet med enheten designad av forskarna vid IF-UNICAMP.

Som optiska vibrationer, mekaniska vibrationer kan förstås som vågor, så Alegres grupp hade idén att använda de koncentriska ringarna för att begränsa mekaniska vågor vid enhetens kant och få dem att interagera mer intensivt med ljusvågor i samma region. "Poängen med att utveckla skivan med denna bullseye-design var att förhindra att det mekaniska läget "ser" den centrala piedestalen som stöder skivan och låter hela strukturen vibrera, eliminera mekaniska förluster, " han sa.

Enheten är mycket anpassningsbar, han lade till, och kompatibel med befintliga industriella tillverkningsprocesser, vilket gör det till en lösning för att förbättra sensorer som detekterar kraft och rörelse, till exempel. En av dess potentiella tillämpningar är inom telekommunikation som en optisk modulator, Alegre förklarade. Eftersom enheten kan känna av och excitera mekaniska vibrationer, den kan användas som en optisk omkopplare, styra en laserstråle som passerar genom den mycket mer effektivt än de moduleringstekniker som används idag i optiska telekommunikationsnätverk.

"Den tillverkades enligt nuvarande industriella processer, så att vilken grupp som helst i världen skulle kunna reproducera det, " han sa.