Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation

La luce e il movimento sono solitamente considerati mondi separati. La luce sfreccia attraverso lo spazio a velocità incredibili, mentre il movimento è lo spostamento lento e pesante di oggetti solidi. Eppure, in un campo della fisica in crescita, gli scienziati stanno imparando a far dialogare questi due mondi. Costruiscono minuscole macchine in cui la luce rimbalza avanti e indietro, spingendo e tirando il materiale stesso. Quando la luce è abbastanza forte e la macchina è abbastanza piccola, i fotoni — le particelle di luce — possono raffreddare la macchina al suo stato più calmo possibile, o possono farla vibrare con tale precisiona da renderla uno strumento per percepire l'universo. Questa interazione, in cui la luce controlla il movimento e il movimento cambia la luce, è la base per una nuova generazione di tecnologia che potrebbe un giorno collegare i segnali a microonde utilizzati nei nostri telefoni con i segnali luminosi che trasportano dati attraverso Internet.

Perché ciò funzioni, i materiali utilizzati devono essere eccezionali. Devono essere abbastanza rigidi da vibrare molto velocemente, abbastanza trasparenti da lasciare passare luce intensa senza riscaldarsi e capaci di conservare l'informazione quantistica. Il diamante è un candidato perfetto. È il materiale naturale più duro, il che significa che può vibrare a velocità incredibilmente elevate. È anche un eccellente conduttore di calore, quindi non si scioglie sotto la potenza di un laser, e può ospitare piccoli difetti che fungono da bit quantistici, le unità di base dei futuri computer quantistici. I ricercatori desideravano da tempo costruire dispositivi che utilizzassero il diamante per sfruttare questa interazione, ma rendere una struttura di diamante abbastanza piccola da controllare simultaneamente sia la luce che il suono è stata una sfida difficile.

Un team di ricercatori ha ora costruito una versione funzionante di tale dispositivo. Hanno creato un minuscolo fascio di diamante monocristallino, sospeso in aria e modellato con una precisa serie di fori. Questa struttura agisce come una trappola sia per la luce che per il suono. I fori sono disposti per creare uno specchio che rifletta le onde luminose e sonore verso il centro del fascio, mantenendole confinate in uno spazio molto piccolo. I ricercatori hanno progettato questo fascio per essere incredibilmente stretto, largo solo poche centinaia di nanometri, il che costringe la luce e le onde sonore a interagire fortemente. Quando proiettano un laser in questo fascio di diamante, la luce non si limita a passare attraverso di esso; spinge sul diamante, facendolo vibrare. Poiché il diamante è così rigido, queste vibrazioni avvengono a una frequenza di circa 12 miliardi di cicli al secondo, una velocità troppo alta per essere udita dall'orecchio umano, ma perfetta per la tecnologia ad alta velocità.

Il team ha scoperto di poter far vibrare questo fascio di diamante da solo, senza alcuna scossa esterna. Sintonizzando il laser su una frequenza specifica, hanno spinto il sistema oltre un punto di svolta in cui la luce ha iniziato a immettere energia nel movimento più velocemente di quanto il diamante potesse perderla. Ciò ha fatto entrare il fascio in uno stato di oscillazione auto-sostenuta, vibrando continuamente con un'ampiezza elevata. Mentre il diamante vibrava, modulava la luce che lo attraversava, creando una serie di nuove frequenze luminose, o colori, spaziati uniformemente. Questa collezione di colori è nota come pettine di frequenza. In questo esperimento, i ricercatori hanno generato un pettine che copriva un intervallo di 143 miliardi di cicli al secondo, con i singoli colori spaziati di 12 miliardi di cicli al secondo. Questo è un intervallo molto più ampio e una spaziatura maggiore rispetto a quanto ottenuto in dispositivi simili realizzati con altri materiali, dimostrando il potere unico della piattaforma di diamante.

Analizzando la forma e l'intensità di questo pettine di luce, i ricercatori sono stati in grado di misurare esattamente quanto si stesse muovendo il diamante. Hanno calcolato che la superficie del diamante si muoveva avanti e indietro di una distanza di 130 picometri. Per dare un termine di paragone, questa è circa la larghezza di un singolo atomo, ma il movimento avviene a una velocità di 12 miliardi di volte al secondo. Questo movimento crea una enorme quantità di deformazione, o tensione, all'interno del reticolo cristallino del diamante. La deformazione totale ha raggiunto un livello di 0,0011, che è oltre cinquanta volte più forte di quanto raggiunto in precedenti esperimenti con il diamante. Questo livello di deformazione è significativo perché è abbastanza forte da poter potenzialmente controllare gli stati quantistici dei difetti all'interno del diamante.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice creazione di un nuovo tipo di sorgente luminosa. La capacità di generare una deformazione così forte a frequenze così elevate apre una via diretta per controllare i bit quantistici presenti nel diamante. Questi bit quantistici, che sono difetti nel cristallo di diamante, possono essere manipolati dalla deformazione meccanica del fascio vibrante. I ricercatori hanno dimostrato che il loro dispositivo può produrre livelli di deformazione sufficienti a influenzare questi stati quantistici, suggerendo un modo per collegare il movimento meccanico alle proprietà quantistiche interne. Ciò potrebbe portare a nuovi modi per memorizzare informazioni o convertire segnali tra diverse forme di energia. Il dispositivo opera a temperatura ambiente, il che rappresenta un grande vantaggio, poiché non richiede il freddo estremo solitamente necessario per gli esperimenti quantistici. I ricercatori hanno confermato le loro scoperte attraverso misurazioni dettagliate delle interazioni tra luce e suono, verificando che i modelli teorici di come luce e movimento si accoppiano nel diamante fossero corretti.

Questo traguardo rappresenta un passo avanti significativo nel campo dell'optomeccanica. Dimostrando che un cristallo di diamante può supportare vibrazioni ad alta frequenza e forti interazioni luce-materia a temperatura ambiente, il team ha fornito una piattaforma robusta per futuri esperimenti. Il dispositivo è in grado di generare schemi di luce complessi ed esercitare forze meccaniche precise, il tutto all'interno di una struttura più piccola di un capello umano. Il successo di questo esperimento suggerisce che i sistemi basati sul diamante potrebbero diventare uno strumento standard per costruire tecnologie quantistiche, offrendo un modo per colmare il divario tra il mondo meccanico e il mondo quantistico. I ricercatori intendono compiere il passo successivo integrando specifici difetti quantistici in questi fasci vibranti, con l'obiettivo di dimostrare il controllo diretto sugli stati quantistici tramite il movimento meccanico. Questo lavoro getta le basi per un futuro in cui luce, movimento e informazione quantistica siano integrati in modo fluido in un'unica, potente tecnologia.