Las microcavidades optomecánicas son estructuras extremadamente pequeñas con diámetros de menos de 10 micrómetros (aproximadamente una décima parte de un cabello humano) dentro de las cuales se confinan las vibraciones mecánicas y ligeras. Gracias a su pequeño tamaño y a las eficientes técnicas de microfabricación que les permiten retener intensa energía luminosa e interactuar con ondas mecánicas, Las microcavidades se pueden utilizar como sensores de masa y aceleración y en la dispersión Raman (una técnica de espectroscopia implementada para analizar materiales, incluidos los gases, líquidos y sólidos). Un conocimiento sólido de estos fenómenos puede contribuir en el futuro a avances en áreas como la biomedicina, incluido el desarrollo de sensores para detectar moléculas que sirven como marcadores de cáncer, por ejemplo.

Un estudio realizado en el Centro de Investigación en Fotónica de la Universidad de Campinas (Photonicamp), en el estado de São Paulo, Brasil, investigó un proceso menos conocido asociado con el acoplamiento optomecánico, creando un modelo teórico que fue validado mediante simulaciones y comparaciones con resultados experimentales registrados en la literatura. Los investigadores informan del estudio en un artículo publicado en Cartas de revisión física .

"En estos sistemas tienen lugar dos fenómenos independientes, ", dijo el físico Thiago Alegre a Agência FAPESP." Por un lado, la luz ejerce presión sobre la cavidad en la que está confinada. En el otro, las vibraciones mecánicas dispersan la luz. La interacción entre los dos puede ocurrir de dos formas diferentes. Si la luz dispersa permanece dentro del dispositivo, el resultado se llama interacción dispersiva. Si la luz se escapa de la cavidad, se conoce como interacción disipativa ".

Alegre es profesora del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-UNICAMP) e investigadora de Photonicamp. Fue el investigador principal del estudio. El autor principal del artículo es André García Primo, quien era su Ph.D. estudiante en ese momento. La FAPESP apoyó el estudio a través de una beca de doctorado directa otorgada a Primo, y becas o ayudas para otros cinco proyectos (17 / 19770-1, 20 / 06348-2, 18 / 15580-6, 18 / 15577-5 y 18 / 25339-4).

Los profesores Newton Cesário Frateschi y Gustavo Silva Wiederhecker actuaron como investigadores principales.

La interacción dispersiva es bien conocida y es la base de importantes avances en optomecánica, como el interferómetro LIGO que detectó ondas gravitacionales en 2016, por ejemplo, pero la interacción disipativa rara vez se ha explorado en experimentos. "La escasez de experimentos se debe principalmente a la falta de una base teórica capaz de explicar la fuerza de la interacción disipativa para un dispositivo dado, "Dijo Alegre." Nuestro estudio propone una formulación teórica para la interacción tanto dispersiva como disipativa ".

La propuesta involucra la teoría de la perturbación, lo que supone que la interacción optomecánica es razonablemente débil, de modo que las vibraciones mecánicas y ligeras pueden tratarse de forma independiente en una aproximación inicial. La descripción del acoplamiento optomecánico se simplifica cuando el comportamiento óptico y mecánico se calculan por separado.

"La novedad es la forma en que realizamos el último paso, "Dijo Primo." Esencialmente, al contrario de lo que siempre se ha hecho, consideramos que el comportamiento de la luz en el dispositivo se ve afectado física y matemáticamente por la posibilidad de que la luz pueda escapar de la cavidad. Cuando tomamos esto en cuenta, nos dimos cuenta de que tanto la interacción dispersiva como la disipativa podían describirse con un alto grado de precisión ".

En la parte final del estudio, los investigadores probaron su teoría mediante dos ejemplos experimentales bien documentados en la literatura. En un experimento, Ellos investigaron una cavidad optomecánica hecha de silicio y demostraron que ambas interacciones, lo dispersivo y lo disipativo, fueron relevantes para explicar los fenómenos observados. “Demostramos que nuestra teoría concuerda plenamente con el experimento realizado y, por tanto, puede considerarse un valioso instrumento para obtener dispositivos en los que se potencian estos fenómenos no convencionales, "Dijo Alegre.

El segundo ejemplo involucró nanocavidades optomecánicas plasmónicas hechas de oro. Las nanocavidades confinan cantidades de luz mucho más pequeñas que las microcavidades y esencialmente se comportan como nanolentes. Es posible detectar el movimiento mecánico de moléculas individuales acopladas con estos dispositivos. Esta posibilidad tiene una amplia gama de aplicaciones, incluida la detección de compuestos químicos en medios biológicos para identificar sustancias que puedan indicar condiciones patológicas, por ejemplo. "Demostramos con esta teoría que, aunque nunca se había informado, la dispersión disipativa de luz por moléculas es extremadamente importante para los fenómenos optomecánicos en estos sistemas, "Dijo Primo.

Alegre agregó que algunos de los resultados obtenidos en experimentos recientes y que aún no se comprenden del todo se describen correctamente cuando se toma en cuenta el modelo producido por el estudio que dirigió.