Investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) acaban de presentar un cristal optomecánico que permite localizar de manera estable fotones y sus equivalentes en vibraciones mecánicas, los fonones. El avance ayudará a estudiar mejor las propiedades óptomecánicas de la materia.

El fotón es la partícula cuántica de la luz y la radiación electromagnética. El fonón es su equivalente cuando se trata de las vibraciones mecánicas de la materia y la transmisión de calor. Aunque pueda parecer sorprendente, la radiación electromagnética y las vibraciones mecánicas de la materia interactúan e intercambian energía en la escala nanométrica. Este fenómeno se ha descrito en los últimos años y todavía se están estableciendo las bases experimentales para estudiar dichas interacciones con precisión.

Ahora, investigadores del Grupo Nanoestructuras Fonónicas y Fotónicas del Centro de Excelencia Severo Ochoa Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), dirigido por la Profesora ICREA Clivia Sotomayor-Torres, publican un artículo en Nature Communications en el que presentan un cristal optomecánico de silicio 1D construido de manera que permite localizar de manera estable tanto fonones como fotones. Los investigadores Jordi Gomis-Bresco y Daniel Navarro-Urrios son los primeros autores del trabajo.

Se presenta un cristal optomecánico de silicio para localizar fonones y fotones

El acoplamiento optomecánico es la interacción entre fotones y fonones. Este fenómeno se puede mejorar en gran medida mediante el confinamiento de la radiación electromagnética y el desplazamiento mecánico en la misma cavidad. Mediante la nanoestructuración del silicio para formar dichas cavidades los investigadores consiguen crear cristales artificiales a voluntad. Los cristales optomecánicos son aquellos capaces de confinar simultáneamente fotones y fonones en la misma estructura. Con el diseño adecuado se puede provocar una fuerte interacción fotón-fonón.

Uno de los principales problemas cuando se estudia la interacción fotón-fonón es la dificultad para aislar adecuadamente las partículas cuánticas de vibración. Coexisten diferentes tipos de fonones y no se ha podido crear todavía el ambiente ideal donde quede completamente aislada una única familia de fonones. El trabajo explica cómo diseñar un cristal con cavidades donde las propiedades ópticas y mecánicas se pueden manipular por separado. Con este enfoque se consigue desacoplar efectivamente el diseño de las propiedades ópticas y mecánicas permitiendo el aislamiento simultáneo completo fonónico y fotónico.

El intercambio de energía entre fotones y fonones puede ser útil, por ejemplo, para manipular la disipación de calor a través de luz. La energía de los fotones ordenados en un haz de rayos láser permite la emisión de haces coherentes de fonones. El confinamiento de los bits cuánticos de información será esencial para diseñar ordenadores cuánticos. Todas estas aplicaciones serán realidad cuando los éxitos de la investigación básica logrados recientemente se consoliden en conocimiento práctico. Gracias al nuevo avance encabezado por el ICN2, el estudio de las propiedades óptomecánicas será ahora más fácil y preciso.

Referencia bibliográfica:

J. Gomis-Bresco, D. Navarro-Urrios, M. Oudich, S. El-Jallal, A. Griol, D. Puerto, E. Chavez, Y. Pennec, B. Djafari-Rouhani, F. Alzina, A. Martínez & C.M. Sotomayor Torres. «A one-dimensional optomechanical crystal with a complete phononic band gap». Nature Communications, 5, Article number: 4452, doi:10.1038/ncomms5452

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