Un modelo describe la interacción entre la luz y la vibración mecánica en microcavidades

En un estudio de la Universidad de Campinas, en Brasil, publicado en la revista Physical Review Letters, se contempla tanto la dispersión lumínica provocada por las vibraciones en el interior del dispositivo como su disipación hacia el exterior, un aspecto aún poco estudiado

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las microcavidades optomecánicas son estructuras sumamente pequeñas, con dimensiones inferiores a los 10 micrones (unidades equivalentes a una décima parte del espesor de un cabello), que confinan luz y vibraciones mecánicas en su interior. El reducido tamaño de estas estructuras, asociado a eficientes técnicas de microfabricación, hace que altísimas intensidades de energía lumínica circulen dentro de ellas e interactúen eficientemente con ondas mecánicas. Esto permite que las microcavidades se utilicen como sensores de masa y aceleración, y en dispersión Raman (la dispersión de la luz a través de la materia). La comprensión de estos fenómenos podrá contribuir en el futuro para la concreción de avances en áreas como la de biomededicina, y permitir el desarrollo de sensores de detección de moléculas marcadoras de cánceres, por ejemplo.

En el marco de un estudio llevado a cabo en el Centro de Investigaciones en Fotónica de la Universidad de Campinas (Photonicamp), en el estado de São Paulo, Brasil, se investigó un proceso menos conocido asociado al acoplamiento optomecánico. Y se creó un modelo teórico que se validó mediante simulaciones y con una comparación con resultados experimentales ampliamente documentados en la literatura. Sus resultados se dieron a conocer en un artículo publicado en el periódico científico Physical Review Letters.

“Lo que sucede en estos sistemas son dos fenómenos interdependientes. Por un lado, la luz ejerce una presión sobre la cavidad donde se encuentra confinada. Por otro, las vibraciones mecánicas dispersan esa luz. La interacción entre ambos fenómenos puede transcurrir de dos formas distintas. En caso de que la luz dispersada permanezca en el interior del dispositivo, surge la denominada interacción dispersiva. En caso de que la luz escape hacia el exterior de la cavidad, se concreta entonces la llamada interacción disipativa”, le dice a Agência FAPESP el físico Thiago Alegre. 

El coordinador del estudio antes mencionado fue el propio Alegre, quien es docente del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp) e investigador del Photonicamp, en tanto que su autor principal fue su dirigido y estudiante de doctorado André Garcia Primo. Aparte de la beca de doctorado directo otorgada Garcia Primo, esta investigación contó con el apoyo de la FAPESP a través de otros cinco proyectos (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 y 18/25339-4). 

Participaron en la coordinación los docentes Newton Cesario Frateschi y Gustavo Silva Wiederhecker. 

Mientras que la interacción dispersiva es bastante conocida y constituye la base de avances importantes en el campo de la optomecánica –en el interferómetro LIGO, responsable de la detección de ondas gravitacionales en 2016, por ejemplo–, la interacción disipativa ha sido explorada solo marginalmente en experimentos. “Esta escasez de experimentos está fuertemente relacionada con la inexistencia de una base teórica capaz de describir cuán fuerte es la interacción disipativa en un determinado dispositivo. La contribución de nuestro trabajo es precisamente una formulación teórica que engloba a ambas interacciones: la dispersiva y la disipativa”, explica Alegre.

Esto se lleva a cabo aplicando la denominada teoría de perturbaciones, en la cual se asume que la interacción optomecánica es razonablemente débil, de manera tal que, en una primera aproximación, se vuelve posible tratar a la luz y a la vibración mecánica de manera independiente. Con el conocimiento de los comportamientos ópticos y mecánicos calculados individualmente, es posible describir el acoplamiento optomecánico de manera bastante sencilla.

“La novedad reside en el modo de realizar este último paso. Esencialmente, al contrario de lo que siempre se ha hecho, nosotros consideramos que el comportamiento de la luz en el dispositivo se ve física y matemáticamente afectado por la posibilidad de que la luz escape de la cavidad. Al tener esto en cuenta, nos percatamos de que era posible describir ambas interacciones, la dispersiva y la disipativa, con un alto grado de precisión”, comenta Garcia Primo.

En la última parte del trabajo, los investigadores pusieron a prueba la teoría mediante dos ejemplos experimentales muy bien documentados en la literatura. En uno de ellos, los autores investigaron experimentalmente una cavidad optomecánica elaborada en silicio y demostraron que ambas interacciones, la dispersiva y la disipativa, eran relevantes para explicar los fenómenos observados. “Demostramos que nuestra teoría se encuentra en perfecta concordancia con el experimento realizado, por ende, se convierte en una herramienta muy valiosa para la obtención de dispositivos en los cuales estos fenómenos no convencionales se potencian”, afirma Alegre.

El segundo ejemplo utilizado hace referencia a nanocavidades optomecánicas plasmónicas elaboradas en oro. Estas nanocavidades son capaces de confinar la luz en volúmenes mucho menores que las microcavidades, y operan esencialmente como nanolentes. Es posible detectar el movimiento mecánico de moléculas individuales que se encuentren acopladas a estos dispositivos. Esta posibilidad posee una amplia gama de aplicaciones, entre las cuales cobra relieve la detección de compuestos químicos en medios biológicos, con miras a detectar sustancias que pueden indicar condiciones patológicas, por ejemplo. “Con nuestra teoría demostramos que, si bien nunca se la ha reportado, la dispersión disipativa de la luz con moléculas es sumamente importante para los fenómenos optomecánicos en estos sistemas”, comenta Garcia Primo.

Alegre añade que algunos resultados obtenidos en experimentos recientes, y que aún no se habían entendido bien, se describen correctamente cuando se tiene en cuenta el modelo elaborado en el estudio que él coordinó.

Puede leerse el artículo intitulado Quasinormal-Mode Perturbation Theory for Dissipative and Dispersive Optomechanics en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.233601.