p (PhysOrg.com) - Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia criaram um dispositivo de cristal em nanoescala que, pela primeira vez, permite que os cientistas confinem as vibrações de luz e som no mesmo espaço minúsculo. p "Este é um conceito totalmente novo, "observa Oskar Painter, professor associado de física aplicada na Caltech. Painter é o principal investigador do artigo que descreve o trabalho, que foi publicado esta semana na edição online da revista Natureza . "As pessoas sabem como manipular a luz, e eles sabem como manipular o som. Mas eles não perceberam que podemos manipular os dois ao mesmo tempo, e que as ondas irão interagir fortemente dentro desta estrutura única. "

p De fato, Painter aponta, as interações entre som e luz neste dispositivo - apelidado de cristal optomecânico - podem resultar em vibrações mecânicas com frequências tão altas quanto dezenas de gigahertz, ou 10 bilhões de ciclos por segundo. Ser capaz de atingir tais frequências, ele explica, dá a esses dispositivos a capacidade de enviar grandes quantidades de informações, e abre uma ampla gama de aplicações potenciais - tudo, desde sistemas de comunicação de ondas luminosas a biossensores capazes de detectar (ou pesar) uma única macromolécula. Também poderia, Painter diz, ser usado como uma ferramenta de pesquisa por cientistas que estudam nanomecânica. "Essas estruturas dariam uma sensibilidade de massa que rivalizaria com os sistemas nanoeletromecânicos convencionais, porque a luz nessas estruturas é mais sensível ao movimento do que um sistema elétrico convencional."

p "E tudo isso, " ele adiciona, "pode ​​ser feito em um microchip de silício."

p Os cristais optomecânicos focam nas unidades mais básicas - ou quanta - de luz e som. (Estes são chamados de fótons e fônons, respectivamente.) Como observa o pintor, tem havido uma rica história de pesquisa em cristais fotônicos e fonônicos, que usam armadilhas de energia minúsculas chamadas bandgaps para capturar quanta de luz ou som dentro de suas estruturas.

p O que não foi feito antes foi colocar esses dois tipos de cristais juntos e ver o que eles são capazes de fazer. Isso é o que a equipe Caltech fez.

p "Agora temos a capacidade de manipular som e luz na mesma nanoplataforma, e são capazes de interconverter energia entre os dois sistemas, "diz Painter." E podemos projetar isso de maneiras quase ilimitadas. "

p O volume em que a luz e o som são confinados simultaneamente é superior a 100, 000 vezes menor do que a de uma célula humana, observa o estudante de graduação da Caltech Matt Eichenfield, o primeiro autor do artigo. "Isso faz duas coisas, "ele diz." Primeiro, as interações da luz e do som ficam mais fortes à medida que o volume ao qual estão confinados diminui. Segundo, a quantidade de massa que precisa se mover para criar a onda sonora fica menor à medida que o volume diminui. Fizemos o volume em que a luz e o som vivem tão pequeno que a massa que vibra para produzir o som é cerca de dez vezes menor que um trilionésimo de grama. "

p Eichenfield aponta que, além de medir ondas sonoras de alta frequência, a equipe demonstrou que é realmente possível produzir essas ondas usando apenas luz. "Agora podemos converter ondas de luz em ondas sonoras de frequência de micro-ondas na superfície de um microchip de silício, " ele diz.

p Essas ondas sonoras, ele adiciona, 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. And, claro, we can then detect all these interactions again by using the light. Essencialmente, optomechanical crystals provide a whole new on-chip architecture in which light can generate, interact with, and detect high-frequency sound waves."

p 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.

p Like the zipper cavity, optomechanical crystals trap light; the difference is that the crystals trap—and intensify—sound waves, também. De forma similar, 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.

p "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."

p "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. Além disso, " ele diz, "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."

p 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."

p "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.

p More information: "Optomechanical crystals, " Natureza .

p Source:California Institute of Technology (news :web)