Le ressort optique permet un mode de défaut programmable dans un nouveau cristal mécanique

Les cristaux mécaniques, également appelés cristaux phononiques, sont des matériaux capables de contrôler la propagation des vibrations ou des ondes sonores, tout comme les cristaux photoniques contrôlent le flux lumineux. L’introduction de défauts dans ces cristaux (c’est-à-dire des perturbations intentionnelles dans leur structure périodique) peut donner naissance à des modes mécaniques au sein de la bande interdite, permettant le confinement des ondes mécaniques dans des régions plus petites ou dans les matériaux, une caractéristique qui pourrait être exploitée pour créer de nouveaux technologies.

Des chercheurs de l’Université McGill ont récemment réalisé un nouveau cristal mécanique doté d’un mode de défaut optiquement programmable. Leur article, publié dans Lettres d’examen physiqueintroduit une nouvelle approche pour reprogrammer dynamiquement les systèmes mécaniques, qui implique l’utilisation d’un ressort optique pour transférer un mode mécanique dans la bande interdite d’un cristal.

“Il y a quelque temps, notre groupe réfléchissait beaucoup à l’utilisation d’un ressort optique pour faire léviter partiellement des structures et améliorer leurs performances”, a déclaré Jack C. Sankey, chercheur principal et co-auteur de l’article, à Phys.org. “En même temps, nous observions les avancées étonnantes dans notre domaine avec des dispositifs mécaniques qui utilisaient la bande interdite d’un cristal phononique pour isoler les systèmes mécaniques de l’environnement bruyant.”

Après avoir été témoins de récentes percées dans le développement de dispositifs mécaniques, Sankey et ses collègues ont commencé à explorer la possibilité de déclencher optiquement la résonance semblable à une peau de tambour d’une membrane percée d’un ensemble périodique de trous. Ils ont prédit que cela leur permettrait de faire glisser la fréquence dans une bande interdite, attirant l’énergie vibratoire vers l’intérieur comme un rayon tracteur et réduisant considérablement la masse inertielle de résonance.

“Nous avons pensé que cette situation étrange dans laquelle le nombre de photons présents affecte le poids d’un système mécanique présenterait de nombreuses nouvelles opportunités”, a déclaré Sankey. “Nous avons effectué des calculs prometteurs, notamment en constatant que les structures plus grandes réagissent davantage à chaque photon et qu’une moyenne d’un seul photon dans l’appareil pourrait en principe avoir un effet mesurable sur le mouvement d’un dispositif très réalisable à l’échelle centimétrique.”

Pour démontrer leur approche, l’équipe, dirigée par le Ph.D. L’étudiant Tommy Clark a d’abord modelé et libéré une membrane en utilisant des techniques de photolithographie standard. Ils ont ensuite aligné la cavité de la fibre près du centre de cette membrane, à l’aide de ferrules de guidage à tolérance stricte.

“Nous avons monté le tout sur un étage d’isolation des vibrations dans un ultravide et utilisé une rétroaction active supplémentaire pour stabiliser les miroirs de la cavité à environ 10 secondes des picomètres nécessaires pour que la lumière laser pénètre dans la cavité à proximité de sa fréquence de résonance naturelle”, a expliqué Sankey. . “Une fois le système assemblé et stabilisé, nous avons utilisé l’amélioration de la résonance de la cavité pour créer un champ optique intense qui applique une pression semblable à un ressort sur une petite section de la membrane.”

Grâce à ce ressort optique, les chercheurs ont délibérément perturbé le motif périodique de leur membrane, générant ainsi un défaut. En ajustant l’intensité du laser, ils pourraient alors modifier de manière dynamique et réversible les propriétés du défaut qu’ils introduisaient.

“J’ai toujours aimé l’idée de coupler la lumière à la forme et à la masse d’une résonance mécanique, mais il existe également une multitude d’applications intéressantes, depuis les nouvelles études de dissipation mécanique jusqu’aux simulations de systèmes de matière condensée”, a déclaré Sankey.

“Il existe également actuellement un grand intérêt pour l’utilisation de systèmes mécaniques pour stocker et transporter des informations quantiques sur puce, et pour connecter des systèmes quantiques théoriquement disparates les uns aux autres. Les systèmes mécaniques sont des outils polyvalents, et le travail (incroyable) de Tommy démontre une qualité qualitativement nouvelle. une façon de manipuler le mouvement avec la lumière.

La nouvelle approche de l’équipe pour la reconfiguration in situ des défauts mécaniques pourrait ouvrir de nouvelles possibilités intéressantes pour la création de systèmes mécaniques reprogrammables. Par exemple, les réseaux de défauts qu’ils génèrent pourraient être utilisés pour programmer des guides d’ondes ou d’autres structures conçues pour acheminer et réacheminer le flux d’informations mécaniques.

“Dans un avenir proche, nous sommes impatients d’explorer l’idée selon laquelle chaque photon interagit simultanément avec de nombreuses résonances mécaniques similaires, tout en les connectant les uns aux autres par la même force de rayonnement”, a ajouté Sankey. “Cela crée un “réseau” dense d’interactions qui renforce l’influence de chaque photon, et je souhaite en tirer parti pour générer des états de mouvement quantiques de plus en plus macroscopiques.”

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