Förmågan att överföra information koherent i bandet av det elektromagnetiska spektrumet från mikrovågsugn till infraröd är av avgörande betydelse för utvecklingen av de avancerade kvantnätverk som används inom datorer och kommunikation.
En studie utförd av forskare vid State University of Campinas (UNICAMP) i Brasilien, i samarbete med kollegor vid ETH Zürich i Schweiz och TU Delft i Nederländerna, fokuserade på användningen av nanometriska optomekaniska håligheter för detta ändamål. Dessa resonatorer i nanoskala främjar interaktion mellan högfrekventa mekaniska vibrationer och infrarött ljus vid våglängder som används av telekommunikationsindustrin.
En artikel om studien publiceras i tidskriften Nature Communications .
"Nanomekaniska resonatorer fungerar som broar mellan supraledande kretsar och optiska fibrer. Supraledande kretsar är för närvarande bland de mest lovande teknikerna för kvantberäkning, medan optiska fibrer rutinmässigt används som långdistanssändare av information med lite brus och ingen signalförlust", säger Thiago Alegre, professor vid Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) och sista författare till artikeln.
Enligt Alegre var en av de viktigaste innovationerna i studien introduktionen av dissipativ optomekanik. Traditionella optomekaniska enheter förlitar sig på rent dispersiv interaktion, där endast fotoner som är inneslutna i kaviteten sprids effektivt. I dissipativ optomekanik kan fotoner spridas direkt från vågledaren till resonatorn. "Optoakustisk interaktion kan kontrolleras hårdare som ett resultat", sa han.
Före denna studie hade dissipativ optomekanisk interaktion endast påvisats vid låga mekaniska frekvenser, vilket utesluter viktiga applikationer som kvanttillståndsöverföring mellan de fotoniska (optiska) och fononiska (mekaniska) domänerna. Studien visade det första dissipativa optomekaniska systemet som fungerar i en regim där den mekaniska frekvensen översteg den optiska linjebredden.
"Vi lyckades höja den mekaniska frekvensen med två storleksordningar och uppnådde en tiofaldig ökning av den optomekaniska kopplingshastigheten. Detta erbjuder mycket lovande möjligheter för utvecklingen av ännu mer effektiva enheter," sa Alegre.
Tillverkade i samarbete med TU Delft, har enheterna designats för att använda teknologier som är väletablerade inom halvledarindustrin. Nanometriska kiselstrålar var upphängda och fria att vibrera så att infrarött ljus och mekaniska vibrationer begränsades samtidigt. En i sidled placerad vågledare placerad för att möjliggöra kopplingen av den optiska fibern till kaviteten gav upphov till dissipativ koppling, nyckelingrediensen i de resultat som presenterades av forskarna.
Studien erbjuder nya möjligheter för konstruktion av kvantnätverk. Utöver denna omedelbara ansökan lägger den en grund för framtida grundforskning. "Vi förväntar oss att kunna manipulera mekaniska lägen individuellt och mildra optiska icke-linjäriteter i optomekaniska enheter," sa Alegre.
Mer information: André G. Primo et al, Dissipativ optomekanik i högfrekventa nanomekaniska resonatorer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av FAPESP
