(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben een kristalapparaat op nanoschaal gemaakt dat, Voor de eerste keer, stelt wetenschappers in staat om zowel licht- als geluidstrillingen in dezelfde kleine ruimte te beperken.

"Dit is een heel nieuw concept, " merkt Oskar Painter op, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde bij Caltech. Schilder is de hoofdonderzoeker op het papier dat het werk beschrijft, die deze week werd gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift Natuur . "Mensen weten hoe ze licht moeten manipuleren, en ze wisten hoe ze geluid moesten manipuleren. Maar ze hadden zich niet gerealiseerd dat we beide tegelijk kunnen manipuleren, en dat de golven zeer sterk zullen interageren binnen deze enkele structuur."

Inderdaad, Schilder wijst erop, de interacties tussen geluid en licht in dit apparaat - ook wel een optomechanisch kristal genoemd - kan resulteren in mechanische trillingen met frequenties tot tientallen gigahertz, of 10 miljard cycli per seconde. In staat zijn om dergelijke frequenties te bereiken, hij legt uit, geeft deze apparaten de mogelijkheid om grote hoeveelheden informatie te verzenden, en opent een breed scala aan potentiële toepassingen - alles van lichtgolfcommunicatiesystemen tot biosensoren die in staat zijn om een ​​enkel macromolecuul te detecteren (of te wegen). Het zou ook kunnen, schilder zegt, worden gebruikt als onderzoeksinstrument door wetenschappers die nanomechanica bestuderen. "Deze structuren zouden een massagevoeligheid geven die zou kunnen wedijveren met conventionele nano-elektromechanische systemen, omdat licht in deze structuren gevoeliger is voor beweging dan een conventioneel elektrisch systeem."

"En dit alles, " hij voegt toe, "kan worden gedaan op een siliciummicrochip."

Optomechanische kristallen richten zich op de meest elementaire eenheden - of quanta - van licht en geluid. (Dit worden fotonen en fononen genoemd, respectievelijk.) Zoals Painter opmerkt, er is een rijke geschiedenis van onderzoek naar zowel fotonische als fononische kristallen, die kleine energievallen gebruiken die bandgaps worden genoemd om quanta van licht of geluid in hun structuren vast te leggen.

Wat nog niet eerder was gedaan, was om die twee soorten kristallen samen te voegen en te zien waartoe ze in staat zijn. Dat is wat het Caltech-team heeft gedaan.

"We hebben nu de mogelijkheid om geluid en licht te manipuleren op hetzelfde nanoplatform, en zijn in staat om energie tussen de twee systemen om te zetten, ", zegt Painter. "En we kunnen deze op bijna onbeperkte manieren ontwerpen."

Het volume waarin licht en geluid tegelijkertijd worden opgesloten is meer dan 100, 000 keer kleiner dan die van een menselijke cel, merkt Caltech-afgestudeerde student Matt Eichenfield op, de eerste auteur van de krant. "Dit doet twee dingen, "zegt hij. "Eerst, de interacties van licht en geluid worden sterker naarmate het volume waartoe ze beperkt zijn, afneemt. Tweede, de hoeveelheid massa die moet bewegen om de geluidsgolf te creëren, wordt kleiner naarmate het volume afneemt. We hebben het volume waarin het licht en geluid leven zo klein gemaakt dat de massa die trilt om het geluid te maken ongeveer tien keer minder is dan een biljoenste gram."

Eichenfield wijst erop dat, naast het meten van hoogfrequente geluidsgolven, het team toonde aan dat het echt mogelijk is om deze golven te produceren met alleen licht. "We kunnen nu lichtgolven omzetten in microgolffrequentie-geluidsgolven op het oppervlak van een siliciummicrochip, " hij zegt.

Deze geluidsgolven, hij voegt toe, 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. En, natuurlijk, we can then detect all these interactions again by using the light. Eigenlijk, 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, ook. evenzo, 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. Bovendien, " hij zegt, "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, " Natuur .

Source:California Institute of Technology (news :web)