Les microcavités optomécaniques sont des structures extrêmement petites d'un diamètre inférieur à 10 micromètres (environ un dixième de cheveu humain) à l'intérieur desquelles la lumière et les vibrations mécaniques sont confinées. Grâce à leur petite taille et à des techniques de microfabrication efficaces qui leur permettent de retenir une énergie lumineuse intense et d'interagir avec les ondes mécaniques, les microcavités peuvent être utilisées comme capteurs de masse et d'accélération et en diffusion Raman (une technique de spectroscopie déployée pour analyser les matériaux, y compris les gaz, liquides, et solides). Une bonne compréhension de ces phénomènes peut contribuer à l'avenir à des avancées dans des domaines tels que la biomédecine, dont le développement de capteurs pour détecter des molécules servant de marqueurs du cancer, par exemple.

Une étude menée au Centre de recherche en photonique de l'Université de Campinas (Photonicamp), dans l'état de São Paulo, Brésil, a étudié un procédé moins connu associé au couplage optomécanique, créer un modèle théorique qui a été validé par des simulations et des comparaisons avec des résultats expérimentaux enregistrés dans la littérature. Les chercheurs rapportent l'étude dans un article publié dans Lettres d'examen physique .

« Deux phénomènes indépendants ont lieu dans ces systèmes, » a déclaré le physicien Thiago Alegre à Agência FAPESP. « D'une part, la lumière exerce une pression sur la cavité dans laquelle elle est confinée. De l'autre, des vibrations mécaniques diffusent la lumière. L'interaction entre les deux peut se produire de deux manières différentes. Si la lumière diffusée reste à l'intérieur de l'appareil, le résultat est appelé interaction dispersive. Si la lumière s'échappe de la cavité, c'est ce qu'on appelle l'interaction dissipative."

Alegre est professeur à l'Institut de physique Gleb Wataghin de l'Université de Campinas (IFGW-UNICAMP) et chercheur au Photonicamp. Il était le chercheur principal de l'étude. L'auteur principal de l'article est André Garcia Primo, qui était son doctorat. étudiant à l'époque. La FAPESP a soutenu l'étude via une bourse de doctorat directe attribuée à Primo, et des bourses ou subventions pour cinq autres projets (17/19770-1, 20/06348-2, 18/15580-6, 18/15577-5 et 18/25339-4).

Les professeurs Newton Cesário Frateschi et Gustavo Silva Wiederhecker ont agi en tant que chercheurs principaux.

L'interaction dispersive est bien comprise et à la base d'avancées importantes en optomécanique, comme l'interféromètre LIGO qui a détecté des ondes gravitationnelles en 2016, par exemple, mais l'interaction dissipative a rarement été explorée dans les expériences. "La rareté des expérimentations est due principalement à l'absence d'un fondement théorique capable de rendre compte de la force d'interaction dissipative pour un dispositif donné, " a déclaré Alegre. "Notre étude propose une formulation théorique pour l'interaction dispersive et dissipative."

La proposition implique la théorie des perturbations, ce qui suppose que l'interaction optomécanique est raisonnablement faible pour que les vibrations lumineuses et mécaniques puissent être traitées indépendamment dans une première approximation. La description du couplage optomécanique est simplifiée lorsque les comportements optique et mécanique sont calculés séparément.

"La nouveauté est la façon dont nous avons effectué la dernière étape, " dit Primo. " Essentiellement, contrairement à ce qui a toujours été fait, nous avons considéré que le comportement de la lumière dans l'appareil était physiquement et mathématiquement affecté par la possibilité que la lumière puisse s'échapper de la cavité. Lorsque nous avons pris cela en compte, nous avons réalisé que l'interaction dispersive et dissipative pouvait être décrite avec un haut degré de précision."

Dans la dernière partie de l'étude, les chercheurs ont testé leur théorie au moyen de deux exemples expérimentaux bien documentés dans la littérature. Dans une expérience, ils ont étudié une cavité optomécanique en silicium et ont montré que les deux interactions, le dispersif et le dissipatif, étaient pertinents pour expliquer les phénomènes observés. "Nous avons montré que notre théorie concorde pleinement avec l'expérience réalisée et peut donc être considérée comme un instrument précieux pour obtenir des dispositifs dans lesquels ces phénomènes non conventionnels sont amplifiés, " a déclaré Alegre.

Le deuxième exemple concernait des nanocavités optomécaniques plasmoniques en or. Les nanocavités confinent des quantités de lumière beaucoup plus faibles que les microcavités et se comportent essentiellement comme des nanolentilles. Il est possible de détecter le mouvement mécanique de molécules individuelles couplées à ces dispositifs. Cette possibilité a un large éventail d'applications, y compris la détection de composés chimiques dans les milieux biologiques pour identifier les substances qui peuvent indiquer des conditions pathologiques, par exemple. "Nous avons montré avec cette théorie que bien qu'elle n'ait jamais été rapportée, la diffusion dissipative de la lumière par les molécules est extrêmement importante pour les phénomènes optomécaniques dans ces systèmes, " dit Primo.

Alegre a ajouté que certains des résultats obtenus dans des expériences récentes et pas encore complètement compris sont correctement décrits lorsque le modèle produit par l'étude qu'il a dirigée est pris en compte.