Optomechanische apparaten, die tegelijkertijd lichtgolven en mechanische golven opsluiten om interactie tussen hen mogelijk te maken, kan worden gebruikt om fundamentele vragen in de natuurkunde te bestuderen en om beweging te voelen op dezelfde manier als elektromechanische versnellingsmeters. Op smartphones, deze elektronische componenten schakelen het touchscreen tussen portret en landschap wanneer ze rotatie door de gebruiker detecteren.

Volgens deskundigen in het veld, echter, het gebruik van optomechanische apparaten om macroscopische kwantumverschijnselen te bestuderen of om zeer subtiele bewegingen te identificeren vereist extreem hoge niveaus van interactie, of koppeling, tussen lichtgolven en mechanische golven.

Een groep onderzoekers onder leiding van Thiago Pedro Mayer Alegre en Gustavo Silva Wiederhecker van het Gleb Wataghin Physics Institute (IF-UNICAMP) van de Universiteit van Campinas in de staat São Paulo, Brazilië, hebben een optomechanisch apparaat ontwikkeld met een nieuw ontwerp dat de koppeling tussen lichtgolven en mechanische golven naar een hoger niveau tilt dan gerapporteerd voor vergelijkbare apparaten die in het laboratorium zijn ontwikkeld. Hun werk werd ondersteund door FAPESP.

Het nieuwe optomechanische apparaat en een experimentele demonstratie van de werking ervan worden beschreven in Optica Express .

"Door de manier waarop we het apparaat hebben ontworpen, kunnen de interactieniveaus tussen lichtgolven en mechanische golven worden verhoogd, ' zei Alegre.

"Dit betekent dat het apparaat praktische toepassingen heeft en ons helpt bij ons basisonderzoek door ons te helpen bepaalde vragen te beantwoorden, zoals wat er gebeurt in de overgang tussen de kwantummicroscopische wereld en de klassieke macroscopische wereld."

Het apparaat dat door de onderzoekers is gemaakt, gebaseerd op een 24-micron siliciumschijf ondersteund door een centraal siliciumdioxide voetstuk waardoor de schijf kan trillen, heeft een roosvorm met concentrische cirkelvormige groeven. Dankzij deze vorm lichtgolven en mechanische golven kunnen door afzonderlijke mechanismen in het apparaat worden beperkt. De lichtgolven worden alleen aan de rand van de schijf beperkt door totale interne reflectie, een optisch fenomeen waarbij licht in een medium zoals water of glas volledig wordt gereflecteerd van de omringende oppervlakken (zoals de luchtinterface) terug in het medium, op voorwaarde dat de invalshoek groter is dan een bepaalde grenshoek die de kritische hoek wordt genoemd.

Lichtgolven worden daarom dicht bij de schijfrand gecomprimeerd en reizen lange tijd rond de ringen, terwijl mechanische trillingen zich door het materiaal kunnen voortplanten. Echter, de concentrische ringen creëren frequentiegebieden waarin mechanische golven zich niet kunnen voortplanten, en zijn beperkt tot de buitenrand van de schijf, waar ze direct interageren met de lichtgolven.

"Door lichtgolven en mechanische golven tot de schijfrand te beperken, kunnen we hun interactie versterken, wat handig is voor het onderzoeken van kwantumverschijnselen in macroscopische objecten, ' legde Alegre uit.

In apparaten ontwikkeld door andere onderzoeksgroepen, de concentrische cirkelvormige groeven worden gebruikt om lichtgolven op te sluiten in het centrale gebied en niet aan de rand, zoals in het geval van het apparaat ontworpen door de onderzoekers van IF-UNICAMP.

Zoals optische trillingen, mechanische trillingen kunnen worden opgevat als golven, dus kwam de groep van Alegre op het idee om de concentrische ringen te gebruiken om mechanische golven aan de rand van het apparaat op te sluiten en ze intensiever te laten interageren met lichtgolven in hetzelfde gebied. "Het doel van het ontwikkelen van de schijf met dit bullseye-ontwerp was om te voorkomen dat de mechanische modus het centrale voetstuk dat de schijf ondersteunt 'ziet' en de hele structuur laat trillen, het elimineren van mechanische verliezen, " hij zei.

Het apparaat is zeer aanpasbaar, hij voegde toe, en compatibel met bestaande industriële fabricageprocessen, waardoor het een oplossing is voor de verbetering van sensoren die kracht en beweging detecteren, bijvoorbeeld. Een van de mogelijke toepassingen is in de telecommunicatie als optische modulator, legde Alegre uit. Omdat het apparaat mechanische trillingen kan detecteren en opwekken, het kan worden gebruikt als een optische schakelaar, het besturen van een laserstraal die er veel efficiënter doorheen gaat dan de modulerende technologieën die tegenwoordig in optische telecommunicatienetwerken worden gebruikt.

"Het is vervaardigd volgens de huidige industriële processen, zodat elke groep ter wereld het kan reproduceren, " hij zei.