Впервые свет и звук пойманы в одном кристалле

Компьютерное отражение мод разного порядка для световых (вверху) и звуковых (внизу) волн, пойманных в новом устройстве (иллюстрация Matt Eichenfield et al.).

Первый в мире фотонно-фононный кристалл, способный заключать в ловушку свет и механические вибрации одновременно, создала команда исследователей под руководством Оскара Пейнтера (Oskar Painter) из Калифорнийского технологического института.

Новинка представляет собой очень тонкую полоску кремния длиной порядка 20 микрометров и шириной 1,4 мкм. Путём травления в полоске проделан ряд прямоугольных отверстий, превративших её в подобие железнодорожной колеи со шпалами (с шагом 362 нанометра).

Полоска эта подвешена в пространстве, словно мостик. Он служит волноводом как для оптического излучения, так и для звуковых колебаний, распространяющихся вдоль «пути». При этом свойства полоски позволяют ей проделывать с волнами любопытные вещи, поскольку она одновременно является и фотонным и фононным кристаллом.

Поясним, фотонные кристаллы (photonic crystals) — это разнообразный класс материалов, манипулирующих светом: его отражением, преломлением и поглощением в разных слоях, спектром проходящего излучения, светопропусканием образца и так далее.

Общий вид устройства (a) и увеличенный его фрагмент (b) (фотографии Matt Eichenfield et al.).

Фононные же кристаллы (phononic crystal), по сути, проделывают всё то же самое, только не с электромагнитными волнами, а с механическими колебаниями. И даже по принципу строения фононные кристаллы схожи с фотонными: и те и другие получают чередованием сверхтонких слоёв материалов с разными (акустическими либо оптическими) свойствами.

На это внутреннее родство обратил внимание Пейнтер. «Если вы сделаете один тип кристаллов, вы почти автоматически получаете и другой тип», — говорит учёный. По его словам, эта особенность не использовалась ранее, поскольку механические вибрации в фотонных кристаллах, широко использующихся в оптических устройствах, чрезвычайно малы и их трудно обнаружить.

Однако при определённой конфигурации кристалла и точно подобранных размерах элементов возникает интересный эффект. Интерференция световых волн, отражённых и пропущенных дальше каждой «шпалой», создаёт условия, при которых волны с определённой длиной оказываются пойманными в центре «мостика». И точно так же в его центре «запираются» высокочастотные звуковые колебания, при этом «шпалы» колеблются взад-вперёд.

Авторы нового устройства назвали его оптомеханическим кристаллом. Опыт показал, что первый образец такого материала одновременно может заключить в ловушку фотоны с частотой 200 терагерц и фононы с частотой 2 гигагерца. При этом оба вида волн благодаря свойствам кристалла сильно взаимодействуют между собой. Это и понятно: механические колебания в «шпалах» приводят к крохотным изменениям в геометрии «пути», а она, в свою очередь, мощно влияет на сложную картину взаимодействия пропускаемых и отражаемых каждой ячейкой световых волн.

Тонкий стеклянный зонд, подводимый к «дорожке» из кремния, позволил физикам определить, в каком месте кристалла заключён свет (в опытах поначалу в «колею» запускали лазерное излучение с разной частотой). А колебания в светопропускании кристалла, зависящие от поданного на него звука, показали, что устройство также захватывает в плен механические вибрации определённой частоты.

Первые пять механических мод, представленные вместе с двумя оптическими модами, одновременно «живущими» в кристалле (иллюстрация Matt Eichenfield et al.).

Способность одновременно работать со световыми и звуковыми волнами авторы кристалла предлагают использовать в ультрачувствительных биологических и химических сенсорах, определяющих едва ли не единичные молекулы. Такие кристаллы могут пригодиться и при построении квантовых компьютерных сетей (так как новичок умеет «перекодировать» световую информацию в механические колебания и обратно, но на иных частотах), а ещё — в опытах по обнаружению квантовых эффектов на макроуровне (поскольку на основе данного кристалла можно создать прекрасную систему охлаждения, избавляющую микроскопические элементы установки от теплового шума).

Детали работы Пейнтера и его коллег представлены в статье в Nature. (Читайте также о том, как мельчайшая лампа накаливания смешала две физики, как удивил учёных выпрямитель тепла и как экспериментальное устройство впервые показало существование боковой отталкивающей силы света.)



Физики оценили число параллельных вселенных

20 октября 2009

Впервые создана чёрная дыра для света

16 октября 2009

Грачи понимают физику на уровне шестимесячного младенца

15 октября 2009

Физики обнаружили магнитное электричество

15 октября 2009

Голландцы объяснили магнетизм графита

8 октября 2009