Microcavidades optomecânicas são estruturas extremamente pequenas com diâmetros de menos de 10 micrômetros (cerca de um décimo de um cabelo humano) dentro das quais a luz e as vibrações mecânicas são confinadas. Graças ao seu pequeno tamanho e às técnicas eficientes de microfabricação que os permitem reter intensa energia luminosa e interagir com as ondas mecânicas, microcavidades podem ser usadas como sensores de massa e aceleração e em espalhamento Raman (uma técnica de espectroscopia implantada para analisar materiais, incluindo gases, líquidos, e sólidos). Uma boa compreensão desses fenômenos pode contribuir no futuro para avanços em áreas como a biomedicina, incluindo o desenvolvimento de sensores para detectar moléculas que servem como marcadores de câncer, por exemplo.

Estudo realizado no Centro de Pesquisas em Fotônica da Universidade de Campinas (Photonicamp), no estado de São Paulo, Brasil, investigou um processo menos conhecido associado ao acoplamento optomecânico, criando um modelo teórico que foi validado por simulações e comparações com resultados experimentais registrados na literatura. Os pesquisadores relatam o estudo em um artigo publicado em Cartas de revisão física .

"Dois fenômenos independentes ocorrem nesses sistemas, “disse o físico Thiago Alegre à Agência FAPESP.“ Por um lado, a luz exerce pressão sobre a cavidade na qual está confinada. No outro, vibrações mecânicas espalham a luz. A interação entre os dois pode ocorrer de duas maneiras diferentes. Se a luz espalhada permanecer dentro do dispositivo, o resultado é chamado de interação dispersiva. Se a luz escapar da cavidade, é conhecido como interação dissipativa. "

Alegre é professora titular do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade de Campinas (IFGW-UNICAMP) e pesquisadora do Photonicamp. Ele foi o investigador principal do estudo. O autor principal do artigo é André Garcia Primo, quem foi seu Ph.D. aluno na época. A FAPESP apoiou o estudo por meio de uma bolsa de doutorado direta concedida ao Primo, e bolsas de estudo ou subsídios para cinco outros projetos (17 / 19770-1, 20 / 06348-2, 18 / 15580-6, 18 / 15577-5 e 18 / 25339-4).

Os professores Newton Cesário Frateschi e Gustavo Silva Wiederhecker atuaram como pesquisadores principais.

A interação dispersiva é bem compreendida e uma base para avanços importantes na optomecânica, como o interferômetro LIGO que detectou ondas gravitacionais em 2016, por exemplo, mas a interação dissipativa raramente foi explorada em experimentos. “A escassez de experimentos se deve principalmente à falta de um embasamento teórico capaz de dar conta da força de interação dissipativa de um determinado dispositivo, "Alegre disse." Nosso estudo propõe uma formulação teórica para interação dispersiva e dissipativa.

A proposta envolve a teoria da perturbação, que assume que a interação optomecânica é razoavelmente fraca, de modo que a luz e as vibrações mecânicas podem ser tratadas independentemente em uma aproximação inicial. A descrição do acoplamento optomecânico é simplificada quando o comportamento óptico e mecânico são calculados separadamente.

“A novidade é a forma como realizamos a última etapa, "Primo disse." Essencialmente, ao contrário do que sempre foi feito, consideramos que o comportamento da luz no dispositivo é física e matematicamente afetado pela possibilidade de a luz escapar da cavidade. Quando levamos isso em consideração, percebemos que tanto a interação dispersiva quanto a dissipativa podem ser descritas com um alto grau de precisão. "

Na parte final do estudo, os pesquisadores testaram sua teoria por meio de dois exemplos experimentais bem documentados na literatura. Em um experimento, eles investigaram uma cavidade optomecânica feita de silício e mostraram que ambas as interações, o dispersivo e o dissipativo, foram relevantes para explicar os fenômenos observados. "Mostramos que nossa teoria está totalmente de acordo com o experimento realizado e pode, portanto, ser considerada um instrumento valioso para obter dispositivos nos quais esses fenômenos não convencionais são potencializados, "Disse Alegre.

O segundo exemplo envolveu nanocavidades optomecânicas plasmônicas feitas de ouro. As nanocavidades confinam quantidades muito menores de luz do que as microcavidades e se comportam essencialmente como nanolenses. É possível detectar o movimento mecânico de moléculas individuais acopladas a esses dispositivos. Essa possibilidade tem uma ampla gama de aplicações, incluindo a detecção de compostos químicos em meios biológicos para identificar substâncias que podem indicar condições patológicas, por exemplo. “Mostramos com essa teoria que embora nunca tivesse sido relatado, o espalhamento dissipativo da luz pelas moléculas é extremamente importante para os fenômenos optomecânicos nestes sistemas, "Primo disse.

Alegre acrescentou que alguns dos resultados obtidos em experimentos recentes e ainda não totalmente compreendidos são corretamente descritos quando se leva em conta o modelo produzido pelo estudo que conduziu.