Optische Feder ermöglicht programmierbaren Defektmodus in neuem mechanischen Kristall

Mechanische Kristalle, auch phononische Kristalle genannt, sind Materialien, die die Ausbreitung von Schwingungen oder Schallwellen steuern können, genau wie photonische Kristalle den Lichtfluss steuern. Die Einführung von Defekten in diesen Kristallen (d. h. absichtliche Störungen in ihrer periodischen Struktur) kann zu mechanischen Moden innerhalb der Bandlücke führen und die Beschränkung mechanischer Wellen auf kleinere Bereiche oder Materialien ermöglichen – eine Eigenschaft, die zur Schaffung neuer Kristalle genutzt werden könnte Technologien.

Forscher der McGill University haben kürzlich einen neuen mechanischen Kristall mit einem optisch programmierbaren Defektmodus realisiert. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungstellt einen neuen Ansatz zur dynamischen Neuprogrammierung mechanischer Systeme vor, bei dem eine optische Feder verwendet wird, um einen mechanischen Modus in die Bandlücke eines Kristalls zu übertragen.

„Vor einiger Zeit dachte unsere Gruppe intensiv darüber nach, eine optische Feder zu verwenden, um Strukturen teilweise schweben zu lassen und ihre Leistung zu verbessern“, sagte Jack C. Sankey, Hauptforscher und Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Gleichzeitig beobachteten wir die erstaunlichen Durchbrüche auf unserem Gebiet mit mechanischen Geräten, die die Bandlücke eines phononischen Kristalls nutzten, um mechanische Systeme von der lauten Umgebung zu isolieren.“

Nachdem Sankey und seine Kollegen jüngste Durchbrüche in der Entwicklung mechanischer Geräte miterlebt hatten, begannen sie mit der Erforschung der Möglichkeit, die trommelfellartige Resonanz einer Membran mit einer periodischen Anordnung von darin gestanzten Löchern optisch hervorzuheben. Sie sagten voraus, dass sie dadurch die Frequenz in eine Bandlücke ziehen könnten, wodurch die Schwingungsenergie wie ein Traktorstrahl nach innen gezogen und die träge Masse der Resonanz deutlich reduziert würde.

„Wir gingen davon aus, dass diese seltsame Situation, in der die Anzahl der vorhandenen Photonen Einfluss darauf hat, wie schwer sich ein mechanisches System anfühlt, viele neue Möglichkeiten bieten würde“, sagte Sankey. „Wir haben einige vielversprechende Berechnungen durchgeführt und insbesondere herausgefunden, dass größere Strukturen stärker auf jedes Photon reagieren und dass der Durchschnitt eines einzelnen Photons in der Vorrichtung im Prinzip einen messbaren Einfluss auf die Bewegung eines sehr realisierbaren Geräts im Zentimeterbereich haben könnte.“

Um ihren Ansatz zu demonstrieren, hat das Team unter der Leitung von Ph.D. Der Student Tommy Clark strukturierte und löste zunächst eine Membran mithilfe standardmäßiger Fotolithographietechniken. Anschließend richteten sie den Faserhohlraum nahe der Mitte dieser Membran aus, indem sie Führungshülsen mit engen Toleranzen verwendeten.

„Wir haben das Ganze auf einem schwingungsisolierenden Tisch im Ultrahochvakuum montiert und zusätzliche aktive Rückkopplung verwendet, um die Hohlraumspiegel auf einen Bereich von etwa 10 Pikometern zu stabilisieren, der erforderlich ist, damit das Laserlicht in der Nähe seiner natürlichen Resonanzfrequenz in den Hohlraum eintritt“, erklärte Sankey . „Sobald das System zusammengebaut und stabilisiert ist, haben wir die Resonanzverstärkung des Hohlraums genutzt, um ein intensives optisches Feld zu erzeugen, das einen federähnlichen Druck auf einen kleinen Abschnitt der Membran ausübt.“

Mit dieser optischen Feder störten die Forscher gezielt das periodische Muster ihrer Membran und erzeugten so einen Defekt. Durch Anpassen der Intensität des Lasers konnten sie dann die Eigenschaften des von ihnen eingeführten Defekts dynamisch und reversibel verändern.

„Ich habe die Idee, Licht an die Form und Masse einer mechanischen Resonanz zu koppeln, schon immer geliebt, aber es gibt auch eine Vielzahl interessanter Anwendungen, von neuen Studien zur mechanischen Dissipation bis hin zu Simulationen von Systemen kondensierter Materie“, sagte Sankey.

„Es besteht derzeit auch großes Interesse daran, mechanische Systeme zum Speichern und Transportieren von Quanteninformationen auf Chips einzusetzen und nominell unterschiedliche Quantensysteme miteinander zu verbinden. Mechanische Systeme sind vielseitige Werkzeuge, und Tommys (unglaubliche) Arbeit zeigt etwas qualitativ Neues.“ Möglichkeit, Bewegung mit Licht zu manipulieren.

Der neue Ansatz des Teams zur In-situ-Rekonfiguration mechanischer Defekte könnte neue interessante Möglichkeiten für die Schaffung reprogrammierbarer mechanischer Systeme eröffnen. Beispielsweise könnten Arrays solcher von ihnen erzeugten Defekte verwendet werden, um Wellenleiter oder andere Strukturen zu programmieren, die den Fluss mechanischer Informationen leiten und umleiten sollen.

„In naher Zukunft freuen wir uns am meisten darauf, die Idee zu erforschen, dass jedes Photon mit vielen ähnlichen mechanischen Resonanzen gleichzeitig interagiert und sie gleichzeitig alle durch die gleiche Strahlungskraft miteinander verbindet“, fügte Sankey hinzu. „Dadurch entsteht ein dichtes ‚Netz‘ von Wechselwirkungen, das den Einfluss jedes Photons verstärkt, und ich bin daran interessiert, dies zu nutzen, um zunehmend makroskopische Quantenbewegungszustände zu erzeugen.“

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