Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter

En el silencioso mundo de la física óptica, la luz se trata a menudo como un mensajero que transporta información sobre los objetos que toca. Cuando un haz de luz incide sobre un objeto que vibra, la luz dispersada cambia de formas que revelan el movimiento del objeto, un principio utilizado en todo, desde la imagenología médica hasta la detección de planetas distantes. Sin embargo, la interacción funciona en ambos sentidos. Así como el movimiento cambia la luz, la luz ejerce un pequeño empuje físico sobre el objeto, una fuerza conocida como presión de radiación. Aunque los científicos han sido capaces durante mucho tiempo de medir cómo el movimiento altera la luz, utilizar la luz para empujar y controlar con precisión el movimiento de objetos más grandes y extendidos ha seguido siendo un desafío difícil. La fuerza es increíblemente débil y, para objetos complejos, es difícil dirigir ese empuje a partes específicas de la superficie sin afectar a todo el conjunto.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona ha demostrado ahora una nueva forma de aprovechar esta sutil fuerza. Utilizaron con éxito un haz de luz con una forma especial para empujar y controlar las vibraciones de una diminuta membrana cuadrada hecha de nitruro de silicio. Al dar forma a la luz en un patrón complejo y luego desplazar rápidamente ese patrón, fueron capaces de excitar vibraciones específicas en la membrana e incluso de enfriar su movimiento. Este trabajo cierra la brecha entre la medición del movimiento mecánico y su control activo, abriendo un camino hacia tecnologías más avanzadas que dependen de la delicada danza entre la luz y la materia.

El experimento se centró en una membrana microscópica, una lámina cuadrada de nitruro de silicio de 2,5 milímetros por lado y solo 90 nanómetros de espesor. A simple vista, esta lámina es sólida, pero bajo un microscopio, se comporta como la piel de un tambor que puede vibrar en muchos patrones diferentes. Los investigadores querían ver si podían usar la luz para empujar este parche de tambor hacia vibraciones específicas. Para ello, utilizaron un dispositivo llamado demultiplexor de modo espacial, que puede tomar un haz láser y dividirlo en diferentes formas o patrones espaciales. Eligieron trabajar con un conjunto específico de patrones de luz conocidos como modos Hermite-Gauss, que parecen cuadrículas de puntos brillantes y oscuros.

El núcleo del descubrimiento reside en cómo estos patrones de luz interactúan con la membrana. Cuando los investigadores proyectaron un punto de luz simple y único sobre la membrana, el empuje resultante fue uniforme en todo ese punto. Sin embargo, cuando combinaron dos patrones de luz diferentes y desplazaron la fase entre ellos, crearon un patrón de interferencia móvil. Imagine dos ondas en un estanque superponiéndose; donde se encuentran, crean un nuevo patrón cambiante de picos y valles. Los investigadores hicieron algo similar con la luz. Al modular la fase relativa entre dos modos de luz, crearon un patrón de presión de radiación que se movía de un lado a otro a través de la membrana.

Esta presión móvil actuó como una mano empujando un columpio. Si el patrón de luz se movía a la velocidad adecuada, podía empujar la membrana hacia una vibración específica. El equipo probó esto combinando un punto de luz básico con formas más complejas. Descubrieron que la fuerza resultante dependía enteramente de dónde incidía la luz en la membrana. Por ejemplo, combinar dos modos de luz específicos creó un patrón de presión que empujaba la membrana lateralmente, mientras que otra combinación la empujaba de arriba abajo. Al escanear estos patrones de luz a través de la superficie de la membrana, pudieron mapear exactamente cómo respondía la membrana. El resultado fue una imagen detallada que mostraba que la luz podía excitar selectivamente diferentes modos vibratorios, tales como aquellos que parecen un tablero de ajedrez o un ocho, dependiendo de la forma de la luz utilizada.

El logro más significativo del estudio fue utilizar este control para enfriar el movimiento de la membrana. Todos los objetos a temperatura ambiente vibran debido al calor, y estas diminutas vibraciones son una fuente de ruido que puede interferir con las mediciones sensibles. Los investigadores querían detener este ruido térmico. Establecieron un bucle de retroalimentación donde medían el movimiento de la membrana y luego ajustaban instantáneamente la fase de la luz para empujar contra ese movimiento, actuando efectivamente como un freno. Debido a que podían dar forma a la luz para dirigirse a patrones vibratorios específicos, fueron capaces de enfriar dos vibraciones diferentes y casi idénticas al mismo tiempo. Estas dos vibraciones, que ocurren a frecuencias cercanas a los 263 kHz, son tan cercanas en tono que normalmente interfieren entre sí, lo que dificulta su control individual. Los modos tienen un desajuste de aproximadamente 30 Hz.

Al utilizar dos pares diferentes de modos de luz, el equipo pudo distinguir entre las dos vibraciones. Un par de modos de luz era sensible a la primera vibración, mientras que el otro era sensible a la segunda. Aplicaron una señal de retroalimentación a cada par, ralentizando el movimiento de cada vibración de forma independiente. Los datos mostraron que podían reducir la energía de estas vibraciones en aproximadamente 10 decibelios, una reducción significativa del ruido térmico. El enfriamiento simultáneo de dos modos distintos es una tarea difícil en el campo de la optomecánica, y lograrlo con un solo haz de luz configurado de dos maneras demuestra un nuevo nivel de precisión.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá del simple enfriamiento de una sola membrana. La capacidad de utilizar luz estructurada para empujar y tirar de partes específicas de un objeto sugiere nuevas formas de manipular sistemas mecánicos. Los investigadores señalaron que esta técnica podría aplicarse a otros sistemas mecánicos, incluyendo aquellos que están levitados en el aire. Si los mismos principios pueden escalarse, podría ser posible enfriar múltiples objetos a su estado de energía más bajo posible, una condición conocida como el estado fundamental, que es esencial para la computación cuántica y la detección de fuerzas ultrasensibles. El estudio también apunta a la posibilidad de utilizar diferentes formas de luz, tales como aquellas que giran como un sacacorchos, para crear fuerzas rotatorias que podrían hacer girar objetos mecánicos.

El éxito del experimento dependió de la alta calidad de la membrana de nitruro de silicio y de la precisión del dispositivo de formación de luz. La membrana se colocó en una cámara de alto vacío para eliminar la resistencia del aire, permitiéndole vibrar libremente. La fuente de luz fue un láser con una longitud de onda de 1550 nanómetros, y la intensidad de la luz se mantuvo baja para evitar calentar la membrana. Los investigadores utilizaron una etapa motorizada para mover el haz de luz a través de la membrana, creando un mapa de la respuesta de la presión de radiación. Este mapa confirmó que la fuerza ejercida por la luz estaba directamente relacionada con la forma de la luz y la posición en la membrana.

Este trabajo representa un paso adelante en el campo de la optomecánica cuántica, donde el objetivo es controlar el movimiento mecánico utilizando las propiedades cuánticas de la luz. Al demostrar que la presión de radiación puede utilizarse para actuar y enfriar selectivamente modos específicos de un resonador mecánico, los investigadores han proporcionado una nueva herramienta para los científicos. La capacidad de controlar múltiples modos simultáneamente es un requisito crucial para preparar estados cuánticos complejos, que son necesarios para tecnologías avanzadas. Aunque el experimento actual se realizó en una membrana relativamente grande, los principios demostrados aquí son aplicables a sistemas más pequeños y complejos. Los investigadores sugieren que los desarrollos futuros en la tecnología de formación de luz podrían permitir un control aún más preciso, conduciendo potencialmente a nuevas aplicaciones en la microscopía de fuerza y la manipulación de partículas microscópicas.

El estudio contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval, lo que destaca la importancia de esta investigación para futuros avances tecnológicos. El equipo reconoció las contribuciones de sus colegas en la fabricación de la membrana y en la prestación de apoyo de ingeniería. Su trabajo constituye una clara demostración de que, al dar forma a la luz de la manera correcta, es posible empujar y tirar del mundo físico con una precisión que antes estaba fuera de alcance. A medida que la tecnología madure, puede convertirse en una herramienta estándar para los científicos que trabajan en la intersección de la luz y la materia, permitiendo nuevos descubrimientos en el reino cuántico.