Optomekaniska mikrohålor är extremt små strukturer med diametrar på mindre än 10 mikrometer (ungefär en tiondel av ett människohår) inuti vilka ljus och mekaniska vibrationer är begränsade. Tack vare sin lilla storlek och effektiva mikrofabriceringstekniker som gör att de kan hålla intensiv ljusenergi och interagera med mekaniska vågor, mikrokaviteter kan användas som massa- och accelerationssensorer och vid Ramanspridning (en spektroskopiteknik som används för att analysera material, inklusive gaser, vätskor, och fasta ämnen). En god förståelse för dessa fenomen kan i framtiden bidra till framsteg inom områden som biomedicin, inklusive utveckling av sensorer för att upptäcka molekyler som fungerar som cancermarkörer, till exempel.

En studie utförd vid University of Campinas Photonics Research Center (Photonicamp), i delstaten São Paulo, Brasilien, undersökt en mindre känd process i samband med optomekanisk koppling, skapa en teoretisk modell som validerades genom simuleringar och jämförelser med experimentella resultat som har registrerats i litteraturen. Forskarna rapporterar studien i en artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev .

"Två oberoende fenomen äger rum i dessa system, "sa fysikern Thiago Alegre till Agência FAPESP." Å ena sidan, ljus utövar tryck på kaviteten där det är begränsat. På den andra, mekaniska vibrationer sprider ljuset. Interaktion mellan de två kan ske på två olika sätt. Om det spridda ljuset förblir inuti enheten, resultatet kallas dispersiv interaktion. Om ljuset släpper ur hålrummet, det är känt som dissipativ interaktion. "

Alegre är professor vid University of Campinas Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) och forskare med Photonicamp. Han var huvudutredare för studien. Huvudförfattaren till artikeln är André Garcia Primo, vem var hans doktorsexamen student vid den tiden. FAPESP stödde studien via ett direkt doktorandstipendium som tilldelades Primo, och stipendier eller bidrag för fem andra projekt (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 och 18/25339-4).

Professorerna Newton Cesário Frateschi och Gustavo Silva Wiederhecker agerade som huvudutredare.

Dispersiv interaktion är väl förstådd och en grund för viktiga framsteg inom optomekanik, till exempel LIGO -interferometern som detekterade gravitationella vågor 2016, till exempel, men dissipativ interaktion har sällan utforskats i experiment. "Bristen på experiment beror främst på avsaknaden av en teoretisk grund som kan redogöra för styrkan i dissipativ interaktion för en given enhet, "Alegre sa." Vår studie föreslår en teoretisk formulering för både dispersiv och dissipativ interaktion. "

Förslaget innefattar störningsteori, som antar att den optomekaniska interaktionen är rimligen svag så att ljus och mekaniska vibrationer kan behandlas oberoende i en inledande approximation. Beskrivningen av optomekanisk koppling förenklas när optiskt och mekaniskt beteende beräknas separat.

"Nyheten är hur vi utförde det sista steget, "Sa Primo." I huvudsak i motsats till vad som alltid har gjorts, vi ansåg att ljusets beteende i enheten påverkades fysiskt och matematiskt av möjligheten att ljus kan komma ur hålrummet. När vi tog hänsyn till detta, vi insåg att både den dispersiva och dissipativa interaktionen kunde beskrivas med hög precision. "

I den sista delen av studien, forskarna testade sin teori med hjälp av två experimentella exempel som är väldokumenterade i litteraturen. I ett experiment, de undersökte en optomekanisk hålighet gjord av kisel och visade att båda interaktionerna, det dispersiva och det dissipativa, var relevanta för att förklara de observerade fenomenen. "Vi visade att vår teori överensstämmer helt med det utförda experimentet och kan därför betraktas som ett värdefullt instrument för att få apparater där dessa okonventionella fenomen ökar, "Sa Alegre.

Det andra exemplet involverade plasmoniska optomekaniska nanokaviteter gjorda av guld. Nanokaviteter begränsar mycket mindre mängder ljus än mikrokaviteter och beter sig i huvudsak som nanolenser. Det är möjligt att detektera den mekaniska rörelsen för enskilda molekyler kopplade till dessa anordningar. Denna möjlighet har ett brett spektrum av applikationer, inklusive upptäckt av kemiska föreningar i biologiska medier för att identifiera ämnen som kan indikera patologiska tillstånd, till exempel. "Vi visade med denna teori att även om det aldrig hade rapporterats, den dissipativa spridningen av ljus genom molekyler är extremt viktig för de optomekaniska fenomenen i dessa system, "Sa Primo.

Alegre tillade att några av de resultat som erhållits i de senaste experimenten och ännu inte helt förstått är korrekt beskrivna när modellen som producerats av studien han ledde beaktas.