(PhysOrg.com) – Forskare vid California Institute of Technology har skapat en kristallenhet i nanoskala som, för första gången, tillåter forskare att begränsa både ljus- och ljudvibrationer i samma lilla utrymme.

"Detta är ett helt nytt koncept, " konstaterar Oskar Painter, docent i tillämpad fysik vid Caltech. Målaren är huvudutredaren på papperet som beskriver arbetet, som publicerades denna vecka i tidskriftens onlineupplaga Natur . "Folk har vetat hur man manipulerar ljus, och de har vetat hur man manipulerar ljud. Men de hade inte insett att vi kan manipulera båda samtidigt, och att vågorna kommer att interagera mycket starkt inom denna enda struktur."

Verkligen, Målaren påpekar, interaktionen mellan ljud och ljus i den här enheten – kallad en optomekanisk kristall – kan resultera i mekaniska vibrationer med frekvenser så höga som tiotals gigahertz, eller 10 miljarder cykler per sekund. Att kunna uppnå sådana frekvenser, han förklarar, ger dessa enheter möjlighet att skicka stora mängder information, och öppnar upp ett brett utbud av potentiella tillämpningar – allt från ljusvågskommunikationssystem till biosensorer som kan detektera (eller väga) en enskild makromolekyl. Det kunde också, Målaren säger, användas som ett forskningsverktyg av forskare som studerar nanomekanik. "Dessa strukturer skulle ge en masskänslighet som skulle konkurrera med konventionella nanoelektromekaniska system eftersom ljus i dessa strukturer är mer känsligt för rörelse än ett konventionellt elektriskt system är."

"Och allt detta, " han lägger till, "kan göras på ett kiselmikrochip."

Optomekaniska kristaller fokuserar på de mest grundläggande enheterna - eller kvanta - av ljus och ljud. (Dessa kallas fotoner och fononer, respektive.) Som målaren noterar, det har funnits en rik historia av forskning om både fotoniska och fononiska kristaller, som använder små energifällor som kallas bandgap för att fånga upp ljus eller ljud i sina strukturer.

Vad som inte hade gjorts tidigare var att sätta ihop dessa två typer av kristaller och se vad de kan göra. Det är vad Caltech -teamet har gjort.

"Vi har nu förmågan att manipulera ljud och ljus i samma nanoplattform, och kan interkonvertera energi mellan de två systemen, " säger Painter. "Och vi kan konstruera dessa på nästan obegränsade sätt."

Volymen där ljuset och ljudet är begränsat samtidigt är mer än 100, 000 gånger mindre än en mänsklig cell, konstaterar Caltech doktorand Matt Eichenfield, tidningens första författare. "Detta gör två saker, " säger han. "Först, samspelet mellan ljus och ljud blir starkare när volymen som de är begränsade till minskar. Andra, mängden massa som måste röra sig för att skapa ljudvågen blir mindre när volymen minskar. Vi gjorde volymen som ljuset och ljudet lever i så liten att massan som vibrerar för att göra ljudet är ungefär tio gånger mindre än en biljondel av ett gram."

Eichenfield påpekar att förutom att mäta högfrekventa ljudvågor, teamet visade att det faktiskt är möjligt att producera dessa vågor med bara ljus. "Vi kan nu omvandla ljusvågor till mikrovågsfrekvens ljudvågor på ytan av ett kiselmikrochip, " han säger.

These sound waves, han lägger till, are analogous to the light waves of a 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. And, självklart, we can then detect all these interactions again by using the light. Väsentligen, 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, också. Similarly, 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. Dessutom, " han säger, "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, " Natur .

Source:California Institute of Technology (news :web)