(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du California Institute of Technology ont créé un dispositif à cristaux nanométriques qui, pour la première fois, permet aux scientifiques de confiner à la fois les vibrations lumineuses et sonores dans le même petit espace.

"C'est un tout nouveau concept, " note Oskar Peintre, professeur agrégé de physique appliquée à Caltech. Painter est le chercheur principal sur le papier décrivant le travail, qui a été publié cette semaine dans l'édition en ligne de la revue La nature . "Les gens ont su manipuler la lumière, et ils ont su manipuler le son. Mais ils n'avaient pas réalisé qu'on peut manipuler les deux en même temps, et que les ondes vont interagir très fortement au sein de cette structure unique."

En effet, Peintre fait remarquer, les interactions entre le son et la lumière dans cet appareil - surnommé un cristal optomécanique - peuvent entraîner des vibrations mécaniques avec des fréquences pouvant atteindre des dizaines de gigahertz, ou 10 milliards de cycles par seconde. Être capable d'atteindre de telles fréquences, il explique, donne à ces appareils la possibilité d'envoyer de grandes quantités d'informations, et ouvre un large éventail d'applications potentielles, allant des systèmes de communication par ondes lumineuses aux biocapteurs capables de détecter (ou de peser) une seule macromolécule. Il pourrait aussi, Peintre dit, être utilisé comme outil de recherche par les scientifiques étudiant la nanomécanique. "Ces structures donneraient une sensibilité de masse qui rivaliserait avec les systèmes nanoélectromécaniques conventionnels, car la lumière dans ces structures est plus sensible au mouvement qu'un système électrique conventionnel."

« Et tout ça, " il ajoute, "peut être fait sur une puce de silicium."

Les cristaux optomécaniques se concentrent sur les unités les plus élémentaires (ou quanta) de lumière et de son. (Ceux-ci sont appelés photons et phonons, respectivement.) Comme le note Painter, il y a eu une riche histoire de recherche sur les cristaux photoniques et phononiques, qui utilisent de minuscules pièges à énergie appelés bandes interdites pour capturer des quanta de lumière ou de son dans leurs structures.

Ce qui n'avait pas été fait auparavant, c'était de réunir ces deux types de cristaux et de voir ce qu'ils étaient capables de faire. C'est ce que l'équipe Caltech a fait.

« Nous avons maintenant la possibilité de manipuler le son et la lumière dans la même nanoplateforme, et sont capables d'interconvertir l'énergie entre les deux systèmes, " dit Painter. " Et nous pouvons les concevoir de manière presque illimitée. "

Le volume dans lequel la lumière et le son sont simultanément confinés est supérieur à 100, 000 fois plus petit que celui d'une cellule humaine, note Matt Eichenfield, étudiant diplômé de Caltech, le premier auteur de l'article. "Cela fait deux choses, " dit-il. " D'abord, les interactions de la lumière et du son s'intensifient à mesure que le volume auquel ils sont confinés diminue. Seconde, la quantité de masse qui doit se déplacer pour créer l'onde sonore diminue à mesure que le volume diminue. Nous avons fait le volume dans lequel la lumière et le son vivent si petit que la masse qui vibre pour produire le son est environ dix fois moins qu'un trillionième de gramme."

Eichenfield souligne que, en plus de mesurer les ondes sonores à haute fréquence, l'équipe a démontré qu'il est en fait possible de produire ces ondes en utilisant uniquement la lumière. « Nous pouvons maintenant convertir les ondes lumineuses en ondes sonores micro-ondes à la surface d'une micropuce en silicium, " il dit.

Ces ondes sonores, il ajoute, sont analogues aux ondes lumineuses d'un laser. « La façon dont nous avons conçu le système permet d'exploiter ces ondes sonores en les acheminant sur la puce, et les faire interagir avec d'autres systèmes sur puce. Et, bien sûr, nous pouvons alors détecter à nouveau toutes ces interactions en utilisant la lumière. Essentiellement, optomechanical crystals provide a whole new on-chip architecture in which light can generate, interact with, and detect high-frequency sound waves."

These optomechanical crystals were created as an offshoot of previous work done by Painter and colleagues on a nanoscale "zipper cavity, " in which the mechanical properties of light and its interactions with motion were strengthened and enhanced.

Like the zipper cavity, optomechanical crystals trap light; the difference is that the crystals trap—and intensify—sound waves, également. De la même manière, while the zipper cavities worked by funneling the light into the gap between two nanobeams—allowing the researchers to detect the beams' motion relative to one another—optomechanical crystals work on an even tinier scale, trapping both light and sound within a single nanobeam.

"Here we can actually see very small vibrations of sound trapped well inside a single 'string, ' using the light trapped inside that string, " says Eichenfield. "Importantly, although the method of sensing the motion is very different, we didn't lose the exquisite sensitivity to motion that the zipper had. We were able to keep the sensitivity to motion high while making another huge leap down in mass."

"As a technology, optomechanical crystals provide a platform on which to create planar circuits of sound and light, " says Kerry Vahala, the Ted and Ginger Jenkins Professor of Information Science and Technology and professor of applied physics, and coauthor on the Nature paper. "These circuits can include an array of functions for generation, detection, and control. De plus, " il dit, "optomechanical crystal structures are fabricated using materials and tools that are similar to those found in the semiconductor and photonics industries. Collectively, this means that phonons have joined photons and electrons as possible ways to manipulate and process information on a chip."

And these information-processing possibilities are well within reach, notes Painter. "It's not one plus one equals two, but one plus one equals ten in terms of what you can do with these things. All of these applications are much closer than they were before."

"This novel approach to bringing both light and sound together and letting them play off of each other exemplifies the forward-thinking work being done by the Engineering and Applied Science (EAS) division, " says Ares Rosakis, chair of EAS and Theodore von Kármán Professor of Aeronautics and Mechanical Engineering at Caltech.

Plus d'information: "Optomechanical crystals, " La nature .

Source:California Institute of Technology (news :web)