(PhysOrg.com) - Investigadores del Instituto de Tecnología de California han creado un dispositivo de cristal a nanoescala que, por primera vez, permite a los científicos confinar las vibraciones de luz y sonido en el mismo espacio diminuto.

"Este es un concepto completamente nuevo, "señala Oskar Painter, profesor asociado de física aplicada en Caltech. Painter es el investigador principal del artículo que describe el trabajo, que se publicó esta semana en la edición en línea de la revista Naturaleza . "La gente ha sabido manipular la luz, y han sabido manipular el sonido. Pero no se habían dado cuenta de que podemos manipular ambos al mismo tiempo, y que las ondas interactuarán muy fuertemente dentro de esta estructura única ".

En efecto, Painter señala, las interacciones entre el sonido y la luz en este dispositivo, denominado cristal optomecánico, pueden resultar en vibraciones mecánicas con frecuencias tan altas como decenas de gigahercios, o 10 mil millones de ciclos por segundo. Ser capaz de alcanzar tales frecuencias, el explica, da a estos dispositivos la capacidad de enviar grandes cantidades de información, y abre una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde sistemas de comunicación por ondas de luz hasta biosensores capaces de detectar (o pesar) una sola macromolécula. También podría, Pintor dice, ser utilizado como herramienta de investigación por científicos que estudian nanomecánica. "Estas estructuras darían una sensibilidad de masa que rivalizaría con los sistemas nanoelectromecánicos convencionales porque la luz en estas estructuras es más sensible al movimiento que un sistema eléctrico convencional".

"Y todo esto, " él añade, "se puede hacer en un microchip de silicio".

Los cristales optomecánicos se enfocan en las unidades más básicas, o cuantos, de luz y sonido. (Estos se llaman fotones y fonones, respectivamente.) Como señala Painter, ha habido una rica historia de investigación tanto en cristales fotónicos como fonónicos, que utilizan pequeñas trampas de energía llamadas bandgaps para capturar cuantos de luz o sonido dentro de sus estructuras.

Lo que no se había hecho antes era juntar esos dos tipos de cristales y ver lo que son capaces de hacer. Eso es lo que ha hecho el equipo de Caltech.

"Ahora tenemos la capacidad de manipular el sonido y la luz en la misma nanoplataforma, y son capaces de interconvertir energía entre los dos sistemas, ", dice Painter." Y podemos diseñarlos de formas casi ilimitadas ".

El volumen en el que la luz y el sonido están confinados simultáneamente es más de 100, 000 veces más pequeño que el de una célula humana, señala el estudiante graduado de Caltech Matt Eichenfield, el primer autor del artículo. "Esto hace dos cosas, ", dice." Primero, las interacciones de la luz y el sonido se hacen más fuertes a medida que disminuye el volumen al que están confinados. Segundo, la cantidad de masa que tiene que moverse para crear la onda de sonido se hace más pequeña a medida que disminuye el volumen. Hicimos que el volumen en el que viven la luz y el sonido sea tan pequeño que la masa que vibra para producir el sonido es aproximadamente diez veces menor que una billonésima parte de un gramo ".

Eichenfield señala que, además de medir ondas sonoras de alta frecuencia, el equipo demostró que en realidad es posible producir estas ondas utilizando solo luz. "Ahora podemos convertir ondas de luz en ondas de sonido de frecuencia de microondas en la superficie de un microchip de silicio, " él dice.

Estas ondas sonoras él añade, son análogos a las ondas de luz de un láser. "La forma en que hemos diseñado el sistema hace posible utilizar estas ondas de sonido al enrutarlas en el chip, y haciéndolos interactuar con otros sistemas en chip. Y, por supuesto, we can then detect all these interactions again by using the light. Esencialmente, optomechanical crystals provide a whole new on-chip architecture in which light can generate, interact with, and detect high-frequency sound waves."

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.

Like the zipper cavity, optomechanical crystals trap light; the difference is that the crystals trap—and intensify—sound waves, así como. 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.

"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."

"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. Es más, " él dice, "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."

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."

"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.

Más información: "Optomechanical crystals, " Naturaleza .

Source:California Institute of Technology (news :web)