Appareils optomécaniques, qui confinent à la fois les ondes lumineuses et les ondes mécaniques pour permettre l'interaction entre elles, peut être utilisé pour étudier des questions fondamentales en physique et pour détecter le mouvement de la même manière que les accéléromètres électromécaniques. Dans les smartphones, ces composants électroniques font basculer l'écran tactile entre portrait et paysage lorsqu'ils détectent une rotation de l'utilisateur.

Selon les experts du domaine, cependant, l'utilisation de dispositifs optomécaniques pour étudier des phénomènes quantiques macroscopiques ou pour identifier des mouvements très subtils nécessite des niveaux d'interaction extrêmement élevés, ou couplage, entre les ondes lumineuses et les ondes mécaniques.

Un groupe de chercheurs dirigé par Thiago Pedro Mayer Alegre et Gustavo Silva Wiederhecker à l'Institut de physique Gleb Wataghin de l'Université de Campinas (IF-UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil, ont développé un dispositif optomécanique avec une nouvelle conception qui augmente le couplage entre les ondes lumineuses et les ondes mécaniques à des niveaux plus élevés que ceux rapportés pour des dispositifs similaires développés en laboratoire. Leur travail a été soutenu par la FAPESP.

Le nouveau dispositif optomécanique et une démonstration expérimentale de son fonctionnement sont décrits dans Optique Express .

« La façon dont nous avons conçu l'appareil permet d'augmenter les niveaux d'interaction entre les ondes lumineuses et les ondes mécaniques, " a déclaré Alegre.

"Cela signifie que l'appareil a des applications pratiques et nous assiste dans notre recherche fondamentale en nous aidant à répondre à certaines questions, comme ce qui se passe dans la transition entre le monde microscopique quantique et le monde macroscopique classique."

Le dispositif créé par les chercheurs, basé sur un disque de silicium de 24 microns supporté par un socle central en dioxyde de silicium permettant au disque de vibrer, a une forme d'oeil de boeuf avec des rainures circulaires concentriques. Grâce à cette forme, les ondes lumineuses et les ondes mécaniques peuvent être confinées à l'intérieur du dispositif par des mécanismes séparés. Les ondes lumineuses ne sont confinées qu'au bord du disque par réflexion interne totale, un phénomène optique par lequel la lumière dans un milieu tel que l'eau ou le verre est complètement réfléchie par les surfaces environnantes (telles que l'interface avec l'air) dans le milieu, à condition que l'angle d'incidence soit supérieur à un certain angle limite appelé angle critique.

Les ondes lumineuses sont donc comprimées près du bord du disque et voyagent longtemps autour des anneaux, tandis que les vibrations mécaniques peuvent se propager dans tout le matériau. Cependant, les anneaux concentriques créent des régions de fréquence dans lesquelles les ondes mécaniques ne peuvent pas se propager, et sont confinés au bord extérieur du disque, où ils interagissent directement avec les ondes lumineuses.

"Le confinement des ondes lumineuses et des ondes mécaniques au bord du disque nous permet de booster leur interaction, ce qui est utile pour explorer les phénomènes quantiques dans les objets macroscopiques, " expliqua Alegre.

Dans les appareils développés par d'autres groupes de recherche, les rainures circulaires concentriques sont utilisées pour confiner les ondes lumineuses dans la zone centrale et non sur le bord, comme dans le cas du dispositif conçu par les chercheurs de l'IF-UNICAMP.

Comme les vibrations optiques, les vibrations mécaniques peuvent être comprises comme des ondes, ainsi le groupe d'Alegre a eu l'idée d'utiliser les anneaux concentriques pour confiner les ondes mécaniques au bord de l'appareil et les faire interagir plus intensément avec les ondes lumineuses dans la même région. « Le but du développement du disque avec cette conception en œil de bœuf était d'empêcher le mode mécanique de « voir » le socle central qui supporte le disque et de permettre à toute la structure de vibrer, éliminer les pertes mécaniques, " il a dit.

L'appareil est hautement personnalisable, il ajouta, et compatible avec les procédés de fabrication industriels existants, ce qui en fait une solution pour l'amélioration des capteurs qui détectent la force et le mouvement, par exemple. Une de ses applications potentielles est dans les télécommunications en tant que modulateur optique, Alegre a expliqué. Parce que l'appareil peut détecter et exciter les vibrations mécaniques, il pourrait être utilisé comme commutateur optique, contrôler un faisceau laser qui le traverse beaucoup plus efficacement que les technologies de modulation utilisées aujourd'hui dans les réseaux de télécommunications optiques.

« Il a été fabriqué selon les procédés industriels actuels, afin que n'importe quel groupe dans le monde puisse le reproduire, " il a dit.