Optomechanische microholtes zijn extreem kleine structuren met een diameter van minder dan 10 micrometer (ongeveer een tiende van een mensenhaar) waarbinnen licht en mechanische trillingen worden opgesloten. Dankzij hun kleine formaat en efficiënte microfabricagetechnieken die hen in staat stellen intense lichtenergie vast te houden en te interageren met mechanische golven, microholtes kunnen worden gebruikt als massa- en versnellingssensoren en in Raman-verstrooiing (een spectroscopietechniek die wordt gebruikt om materialen, inclusief gassen, vloeistoffen, en vaste stoffen). Een goed begrip van deze fenomenen kan in de toekomst bijdragen aan vooruitgang op gebieden als biogeneeskunde, inclusief de ontwikkeling van sensoren om moleculen te detecteren die als kankermarkers dienen, bijvoorbeeld.

Een studie uitgevoerd aan het Photonics Research Center (Photonicamp) van de Universiteit van Campinas, in de staat São Paulo, Brazilië, onderzocht een minder bekend proces geassocieerd met optomechanische koppeling, het creëren van een theoretisch model dat werd gevalideerd door simulaties en vergelijkingen met experimentele resultaten die in de literatuur zijn vastgelegd. De onderzoekers rapporteren de studie in een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"In deze systemen vinden twee onafhankelijke fenomenen plaats, " vertelde natuurkundige Thiago Alegre aan Agência FAPESP. "Aan de ene kant, licht oefent druk uit op de holte waarin het is opgesloten. Op de andere, mechanische trillingen verstrooien het licht. Interactie tussen beide kan op twee verschillende manieren plaatsvinden. Als het verstrooide licht in het apparaat blijft, het resultaat wordt dispersieve interactie genoemd. Als het licht uit de holte ontsnapt, het staat bekend als dissipatieve interactie."

Alegre is professor aan het Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) van de Universiteit van Campinas en onderzoeker bij Photonicamp. Hij was de hoofdonderzoeker van het onderzoek. De hoofdauteur van het artikel is André Garcia Primo, wie was zijn Ph.D. leerling destijds. FAPESP ondersteunde de studie via een directe doctoraatsbeurs toegekend aan Primo, en beurzen of beurzen voor vijf andere projecten (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 en 18/25339-4).

Professoren Newton Cesário Frateschi en Gustavo Silva Wiederhecker traden op als hoofdonderzoekers.

Dispersieve interactie is goed begrepen en vormt een basis voor belangrijke vooruitgang in optomechanica, zoals de LIGO-interferometer die in 2016 zwaartekrachtsgolven detecteerde, bijvoorbeeld, maar dissipatieve interactie is zelden onderzocht in experimenten. "De schaarste aan experimenten is voornamelijk te wijten aan het ontbreken van een theoretische basis die de kracht van dissipatieve interactie voor een bepaald apparaat kan verklaren, " Zei Alegre. "Onze studie stelt een theoretische formulering voor zowel dispersieve als dissipatieve interactie voor."

Het voorstel omvat de storingstheorie, waarbij wordt aangenomen dat de optomechanische interactie redelijk zwak is, zodat licht en mechanische trillingen in een eerste benadering onafhankelijk kunnen worden behandeld. De beschrijving van optomechanische koppeling wordt vereenvoudigd wanneer optisch en mechanisch gedrag afzonderlijk worden berekend.

"Het nieuwe is de manier waarop we de laatste stap hebben uitgevoerd, "Zei Primo. "In wezen, in tegenstelling tot wat altijd is gedaan, we beschouwden het gedrag van licht in het apparaat als fysiek en wiskundig beïnvloed door de mogelijkheid dat licht uit de holte kan ontsnappen. Toen we hiermee rekening hielden, we realiseerden ons dat zowel de dispersieve als de dissipatieve interactie met een hoge mate van precisie kon worden beschreven."

In het laatste deel van de studie, de onderzoekers toetsten hun theorie aan de hand van twee experimentele voorbeelden die goed gedocumenteerd zijn in de literatuur. In een experiment, ze onderzochten een optomechanische holte gemaakt van silicium en toonden aan dat beide interacties, het dispersieve en het dissipatieve, relevant waren om de waargenomen verschijnselen te verklaren. "We hebben aangetoond dat onze theorie volledig overeenkomt met het uitgevoerde experiment en daarom kan worden beschouwd als een waardevol instrument om apparaten te verkrijgen waarin deze onconventionele verschijnselen worden versterkt, ' zei Alegre.

Het tweede voorbeeld betrof plasmonische optomechanische nanoholtes gemaakt van goud. Nanoholten bevatten veel kleinere hoeveelheden licht dan microholten en gedragen zich in wezen als nanolenzen. Het is mogelijk om de mechanische beweging van individuele moleculen in combinatie met deze apparaten te detecteren. Deze mogelijkheid heeft een breed scala aan toepassingen, inclusief de detectie van chemische verbindingen in biologische media om stoffen te identificeren die kunnen wijzen op pathologische aandoeningen, bijvoorbeeld. "We toonden met deze theorie aan dat hoewel het nooit was gemeld, de dissipatieve verstrooiing van licht door moleculen is uiterst belangrijk voor de optomechanische verschijnselen in deze systemen, ' zei Primo.

Alegre voegde eraan toe dat sommige van de resultaten die in recente experimenten zijn verkregen en die nog niet volledig zijn begrepen, correct worden beschreven wanneer rekening wordt gehouden met het model dat is geproduceerd door de studie die hij leidde.