Forskare vid University of Campinas Gleb Wataghin Physics Institute (IFGW-UNICAMP) i São Paulo State, Brasilien, har teoretiserat en fotonisk kiselanordning som skulle göra det möjligt för optiska och mekaniska vågor som vibrerar vid tiotals gigahertz (GHz) att interagera. Den föreslagna enheten beskrivs i en artikel publicerad i Vetenskapliga rapporter .

"Genom datorsimuleringar vi föreslog en enhet som skulle kunna utnyttja en mekanism för spridning av ljus genom mekaniska vibrationer, kallas Brillouin -spridning, och kan överföras till fotoniska mikrochips, "sa Gustavo Silva Wiederhecker, professor vid IFGW-UNICAMP och huvudutredare för projektet nanofotonik.

Under de senaste åren har Wiederhecker och hans grupp vid IFGW-UNICAMP har fokuserat på denna mekanism, som ursprungligen beskrevs 1922 av den franske fysikern León Nicolas Brillouin (1889-1969). I Brillouin -spridning, ljus, som består av fotoner, interagerar med elastiska vibrationer, som består av fononer, vid mycket höga frekvenser (tiotals GHz) i ett transparent medium.

Det var omöjligt att utnyttja denna effekt effektivt förrän på 1960 -talet, när amerikanska fysikern Theodore Harold Maiman (1927-2007) uppfann lasern. Vid den tiden, forskare observerade att det elektromagnetiska fältet hos en intensiv ljusstråle som överförs längs en optisk fiber av en laserkälla inducerar akustiska vågor som sprider sig längs materialet och sprider ljuset med en annan frekvens än laserns.

"Denna ljusspridningsmekanism är lätt att observera i optiska fibrer, som kan vara hundratals kilometer lång, eftersom det är kumulativt, "Wiederhecker sa, vilket betyder att det byggs upp när vågorna reser längs fibern.

"Det är svårare att observera och utnyttja i en optomekanisk enhet i mikrometerskala på grund av det lilla utrymme där ljuset cirkulerar." Optomekaniska enheter begränsar samtidigt ljusvågor och mekaniska vågor för att möjliggöra interaktion mellan dem.

För att övervinna denna storleksbegränsning när det gäller ljusutbredning, Wiederhecker och hans grupp utvecklade kiselskivor med en diameter på cirka 10 mikron (μm), motsvarande en tiondel av tjockleken på ett människohår. Skivorna fungerar som mikrohålor.

Med hjälp av en optisk fiber med en diameter på cirka 2 μm, forskarna kopplade ljus till detta system. Ljuset reflekteras från materialets kant och snurrar runt skivhålan tusentals gånger över några nanosekunder innan det försvinner.

Som ett resultat, ljuset förblir längre i hålrummet och interagerar därmed mer med materialet, och de optomekaniska effekterna förstärks. "Det är som om ljuset sprids över ett mycket större avstånd, "Förklarade Wiederhecker.

Problemet är att en sådan mikrokavitet inte tillåter ljus vid någon godtycklig frekvens att vara resonant (att föröka sig genom hålrummet), även om det gör det möjligt för det ljus som ursprungligen emitterades av lasern att föröka sig. "Så du kan inte utnyttja Brillouin -spridningseffekten i dessa mikrohålor, " han sa.

Med hjälp av datasimuleringar, forskarna konstruerade teoretiskt sett inte en mikrodisk med ett hålrum utan ett system som består av två kiseldiagram med en kavitet vardera. Skivorna är i sidled kopplade, och avståndet mellan deras hålrum är litet, i storleksordningen hundratals nanometer (en nanometer är en miljarddels meter). Detta system skapar det som kallas en frekvensseparationseffekt.

Denna effekt skiljer något från frekvensen av det ljus som sprids av de akustiska vågorna från frekvensen av det ljus som avges av lasern, som är 11-25 GHz-exakt samma som för de mekaniska vågorna-och säkerställer att de tusentals fononer (elementära excitationer av akustiska vågor) som genereras per sekund i detta system (med hastigheter från 50 kHz till 90 kHz) kan sprida sig i hålrummen.

Som ett resultat, det är möjligt att observera och utnyttja Brillouin -spridning i detta mikrometriska system, enligt Wiederhecker.

"Vi visar att med en lasereffekt på cirka 1 milliwatt - motsvarande effekten av en laserpekare för användning i en bildvisning, till exempel-det skulle vara möjligt att observera Brillouin-spridningseffekten i ett system med dubbla skivor, " han sa.