Cristal optomecânico com estados ligados no continuum

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3187 (2022) Citar este artigo

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Uma correção do autor a este artigo foi publicada em 19 de agosto de 2022

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Sistemas micro e nano-optomecânicos em escala de chip, dependentes da força intangível de pressão de radiação, mostraram sua força única em detecção, transdução de sinal e exploração da física quântica com ressonadores mecânicos. Os cristais optomecânicos, como uma das principais plataformas de dispositivos, permitem a moldagem simultânea da estrutura de banda de fótons ópticos e fônons de micro-ondas com forte acoplamento optomecânico. Aqui, demonstramos uma nova geração de cristais optomecânicos em estruturas bidimensionais de placa sobre substrato potencializadas por estados ligados mecânicos no continuum (BICs) a 8 GHz. Mostramos a emergência de BIC induzida por simetria com acoplamentos optomecânicos de até g / 2π ≈ 2,5 MHz por célula unitária, no mesmo nível dos cristais optomecânicos de baixa dimensão. Nosso trabalho abre caminho para a exploração da interação fóton-fônon além das microcavidades suspensas, o que pode levar a novas aplicações da optomecânica, desde a detecção de fônons até a transdução quântica.

A optomecânica da cavidade tem atraído extensos estudos nos últimos anos devido à rica física associada à interação optomecânica não linear e a uma ampla gama de aplicações prospectivas, desde a transdução de sinal até a detecção . Uma das principais arquiteturas de dispositivos optomecânicos são os cristais optomecânicos2, onde estruturas em escala micro e nano dão origem a um forte acoplamento de força de pressão de radiação entre fótons ópticos de comprimento de onda semelhante e fônons de microondas. Pela engenharia de estrutura de banda de cristais optomecânicos suspensos, cavidades de defeito unidimensionais e quase bidimensionais foram criadas com ressonâncias ópticas e mecânicas de longa duração . Essas microcavidades de cristal optomecânicas permitiram experimentos quânticos inovadores, incluindo o resfriamento do estado fundamental de ressonadores mecânicos6, testes de desigualdades do tipo Bell7 e uma memória quântica mecânica8.

Apesar do sucesso das microcavidades optomecânicas, é altamente desejável explorar cristais optomecânicos bidimensionais. Por um lado, os cristais optomecânicos bidimensionais oferecem mais graus de liberdade para a manipulação da interação fóton-fônon para induzir fenômenos coletivos . Por outro lado, cristais optomecânicos estendidos, especialmente em estruturas não suspensas , podem aliviar o aquecimento induzido pela absorção óptica que afeta as microcavidades liberadas . Idealmente, tais cristais optomecânicos de placa sobre substrato deveriam facilitar a dissipação de fônons de calor enquanto sustentam ressonâncias mecânicas de longa duração na camada do dispositivo.

Recentemente, estados ligados mecânicos no continuum (BICs) são observados em cristais fonônicos bidimensionais de placa sobre substrato . Apesar de terem um vetor de onda Bloch zero e, portanto, imergirem espectralmente no cone sonoro do substrato, esses BICs mecânicos estão confinados na laje devido ao desacoplamento induzido pela simetria do campo de radiação acústica. Existem também propostas e demonstrações de BICs mecânicos em microcavidades devido, por exemplo, ao cancelamento acidental da amplitude da radiação18,19. Um avanço significativo seria o acoplamento de BICs mecânicos com ressonâncias ópticas em um cristal optomecânico que traria o controle efetivo da força de pressão de radiação e funcionalidades associadas.

Neste trabalho, realizamos cristais optomecânicos bidimensionais de silício sobre isolante com BICs mecânicos acoplados a ressonâncias guiadas ópticas. Em tais cristais optomecânicos periódicos, o acoplamento de pressão de radiação entre o BIC mecânico e os modos ópticos depende fortemente da simetria do modo, que em muitos casos dita um acoplamento optomecânico adversamente nulo. Aqui, levando em consideração a simetria do cristal optomecânico e da rede de cristal de silício, somos capazes de obter acoplamento optomecânico de até g/2π ≈ 2,5 MHz por célula unitária entre um BIC mecânico a 8 GHz e um modo óptico de borda de banda em 193 THz, que é comparável a cristais optomecânicos suspensos unidimensionais . Com espectroscopia mecânica transduzida opticamente à temperatura ambiente, demonstramos o controle de BICs mecânicos e acoplamento optomecânico através da interação de simetria do cristal optomecânico e do material cristalino. Nosso trabalho abre caminho para o estudo da interação fóton-fônon em cristais optomecânicos BIC em baixas temperaturas, quando se espera que surja o benefício da arquitetura de dispositivos placa-sobre-substrato, e da física topológica de Floquet além do modelo de ligação forte .