Впервые свет и звук пойманы в одном кристалле

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.

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

Новинка представляет собой очень тонкую полоску кремния, длиной порядка 20 микрометров и шириной 1,4 микрометра. 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 также 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 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.