Observation des états liés mécaniques dans le continuum dans un microrésonateur optomécanique

Des résonances mécaniques à Q élevé sont souhaitées dans de nombreuses applications. La sagesse conventionnelle repose sur la minimisation de la taille de la structure de support des résonateurs mécaniques, ce qui rend le dispositif mécanique fabriqué fragile.

Pour surmonter cette difficulté, des scientifiques chinois ont exploité expérimentalement des états liés mécaniques dans le continuum pour obtenir des facteurs Q élevés à partir de structures mécaniques robustes, ce qui non seulement réduit considérablement la difficulté de fabrication du dispositif, mais permet également le fonctionnement du dispositif dans des environnements polyvalents pour des domaines d’application plus larges.

Les résonateurs micro- et nanomécaniques intégrés, qui possèdent une très petite masse et peuvent être fortement couplés à la lumière et à la matière, ont suscité d’intenses intérêts de recherche ces dernières années. Ils ne sont pas seulement explorés pour des applications de métrologie de précision telles que la détection de masse et de force, mais également utilisés pour étudier la physique quantique macroscopique. La réduction de la dissipation mécanique est cruciale pour bon nombre de ces applications.

A cet effet, des efforts importants ont été faits pour protéger les modes mécaniques de l’environnement en utilisant des structures périodiques. Outre ces dispositifs nanomécaniques périodiques, il existe une classe de résonateurs individuels non périodiques (tels que les résonateurs en forme de disque et d’anneau) où la stratégie de blindage de bande interdite ne peut pas être appliquée. La réduction de la dissipation mécanique dans ces résonateurs est importante mais reste un défi.

Les états liés dans le continuum (BIC) sont un type d’états propres avec une dissipation proche de zéro bien que leur énergie propre réside dans le spectre continu des états avec perte. Les BIC ont été exploités dans les systèmes optiques pour réduire leur dissipation, conduisant à de nombreuses applications telles que les lasers à bas seuil et la génération efficace de deuxième harmonique.

Compte tenu du succès des BIC dans les systèmes optiques, il est envisagé que les BIC dans les systèmes micro- et nanomécaniques puissent également être exploités pour réduire leur dissipation et améliorer leurs performances dans diverses applications. Cependant, les schémas existants de construction des BIC recourent à des structures périodiques, qui impliquent généralement un encombrement important (donc un volume modal important) et une masse effective importante, indésirables dans les applications nanomécaniques. Les BIC dans des résonateurs individuels non périodiques, qui peuvent avoir un confinement modal plus serré et une masse plus petite, restent encore expérimentalement insaisissables.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le professeur Xiankai Sun du Département de génie électronique de l’Université chinoise de Hong Kong, Hong Kong SAR, Chine, ont proposé et observé expérimentalement des BIC mécaniques dans un microrésonateur optomécanique individuel.

Ils ont introduit un couplage entre deux modes mécaniques dans le microrésonateur en brisant sa symétrie azimutale, ce qui a fait que l’un des modes hybrides est devenu un BIC sous une certaine condition, comme l’a confirmé leur démonstration expérimentale.

Plus important encore, ils ont découvert que le BIC mécanique à faible perte existait pour une large gamme de largeur des tiges de support allant de centaines de nanomètres à plusieurs micromètres. La tolérance élevée sur la géométrie de la structure de support est un avantage évident dans les applications de systèmes micro/nanoélectromécaniques (MEMS/NEMS).

Les scientifiques ont expliqué : « La sagesse conventionnelle d’améliorer les performances des dispositifs MEMS/NEMS consiste à minimiser leur structure de support pour réduire la dissipation d’énergie, ce qui, d’autre part, augmente les difficultés de fabrication des dispositifs et impose des restrictions sur leurs domaines d’application.

« Par exemple, les dispositifs MEMS/NEMS basés sur des structures mécaniques délicates ne peuvent pas être utilisés de manière répétée pour des applications à base de fluides, car ils ne peuvent pas survivre au changement ambiant d’un liquide à un gaz. Nos BIC mécaniques à faible perte démontrés peuvent être obtenus avec un grand et une structure de support robuste, qui réduit considérablement les difficultés de fabrication des dispositifs et permet leur fonctionnement dans des environnements polyvalents pour des domaines d’application plus larges. »

Les scientifiques ont ajouté que « Ce travail démontre non seulement le concept physique historique des » états liés dans le continuum « dans un nouveau système, mais peut également être exploité pour résoudre un problème difficile dans le domaine des systèmes micro / nanoélectromécaniques et pour permettre une nouvelle ingénierie applications. »