Un dispositivo exhibe un mayor nivel de interacción entre la luz y el movimiento

El diseño de un componente permitió aumentar el acoplamiento entre las ondas de luz y las ondas mecánicas

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Los dispositivos optomecánicos –capaces de confinar simultáneamente ondas de luz y ondas mecánicas, de manera tal de hacer posible su interacción– pueden ser útiles tanto en el estudio de temas fundamentales de la Física como en el uso de la luz para la detectección del movimiento, tal como lo hacen los llamados acelerómetros. Presentes en los teléfonos inteligentes, estos componentes electrónicos ajustan la orientación de la pantalla de apaisada a vertical y viceversa, al detectar que el usuario ejecuta un movimiento de rotación del aparato.

Con todo, la utilización de estos dispositivos optomecánicos para estudiar fenómenos cuánticos macroscópicos –en los cuales las propiedades de la materia a escala macroscópica, tales como las vibraciones mecánicas, pasan a ser gobernadas por las leyes que rigen los átomos (la mecánica cuántica)–, o para detectar movimientos sumamente sutiles, requiere niveles extremadamente elevados de interacción –o acoplamiento– entre las ondas de luz y las ondas mecánicas, según explican los expertos del área.

Un grupo encabezado por los científicos Thiago Pedro Mayer Alegre y Gustavo Silva Wiederhecker, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo, Brasil, logró desarrollar, en el marco de investigaciones que contaron con el apoyo de la FAPESP en la modalidad de ayuda a Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes, un dispositivo optomecánico con un nuevo diseño que hizo posibles niveles de acoplamiento entre las ondas de luz y las ondas mecánicas mayores que los que se conocen para otros dispositivos similares desarrollados en laboratorio.

El nuevo dispositivo optomecánico y la demostración experimental de su funcionamiento se dieron a conocer en un artículo publicado en la revista Optics Express y destacado por la Optical Sociey of America.

“La forma en que diseñamos el dispositivo permite aumentar los niveles de interacción entre las ondas de luz y las ondas mecánicas que lo atraviesan”, declaró Meyer Alegre a Agência FAPESP.

“De este modo, el dispositivo podrá tener tanto aplicaciones prácticas como servir de apoyo a nuestra investigación básica, al ayudar a responder algunas preguntas, como por ejemplo qué sucede en la transición entre el mundo microscopio cuántico y el mundo macroscópico clásico”, ejemplificó.

El dispositivo que crearon los científicos, con base en un disco de silicio de 24 micrones de diámetro apoyado sobre un pedestal central de dióxido de silicio, para que el disco vibre, posee una forma similar a un blanco de dardos –denominado bullseye en inglés– con ranuras circulares concéntricas.

Este formato permite confinar las ondas de luz y las ondas mecánicas en el dispositivo mediante el empleo de mecanismos separados.

Las ondas de luz quedan confinadas únicamente en el borde del disco por reflexión interna total, un fenómeno óptico por el cual, dependiendo del ángulo de incidencia sobre la interfaz entre dos medios (tales como agua y aire), la luz se refleja completamente, al igual que una fuente luminosa en el interior de una piscina o de una pecera. De esta forma, la luz queda comprimida cerca del borde del disco, recorriendo el círculo durante un largo tiempo. En tanto, las vibraciones mecánicas pueden esparcirse por todo el material.

No obstante, las ranuras circulares concéntrica crean zonas de frecuencia prohibidas para la propagación de ondas mecánicas, de manera tal que éstas quedan confinadas únicamente en la parte externa del disco, donde interactúan directamente con la luz, según explicó Meyer Alegre.

“Al confinar las ondas de luz y las ondas mecánicas en el borde del disco, fue posible incrementar la interacción entre ellas. De esta manera, será posible explorar temas tales como los de los fenómenos cuánticos en objetos macroscópicos”, afirmó.

El proceso de fabricación

En dispositivos desarrollados por otros grupos de investigación, las ranuras circulares concéntricas se utilizaron para confinar ondas de luz en la zona central y no en los bordes, tal como lo hicieron ahora los investigadores de la Unicamp.

Con base en la constatación de que las vibraciones mecánicas, al igual que las ópticas, pueden entenderse como ondas, el grupo de Alegre tuvo la idea de usar las ranuras circulares concéntricas para confinar las ondas mecánicas en el borde del dispositivo y hacer que interactúen con mayor intensidad con las ondas ópticas en esa misma zona.

“La idea al desarrollar el disco con ese dibujo de blanco de dardos apuntó a evitar que el modo mecánico ‘viera’ el pedestal central que soporta el disco y permitiera que toda la estructura toda vibrase, eliminando las pérdidas mecánicas”, afirmó.

Según el investigador, el dispositivo es altamente personalizable y compatible con los procesos de fabricación industrial existentes en la actualidad, lo cual lo convierte en una solución para mejorar sensores que detectan fuerza y movimiento, por ejemplo.

Una de sus potenciales aplicaciones podría darse en el área de telecomunicaciones, como modulador óptico.

Dado que el dispositivo tiene la propiedad de percibir y excitar la vibración mecánica, podría utilizárselo como un interruptor óptico, para encender o apagar haz de láser que lo atraviesa de manera mucho más eficiente que las tecnologías moduladoras que se emplean actualmente en las redes de telecomunicaciones ópticas, ejemplificó.

“Como el dispositivo se fabricó de acuerdo con los procesos industriales actuales, cualquier grupo del mundo podría reproducirlo”, afirmó.

El grupo de investigadores de la Unicamp, que también está integrado por Newton Cesário Frateschi y Felippe Alexandre Silva Barbosa, se ha venido dedicando a la nanofotónica, una rama que estudia la interacción entre la materia y la luz confinada en diminutas regiones.

Puede leerse el artículo “Hybrid confinement of optical and mechanical modes in a bullseye optomechanical resonator” (doi: 10.1364/OE.25.00508), de Meyer Alegre y otros, en la revista Optics Express, en el siguiente enlace: osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-2-508.