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

Nel silenzioso mondo della fisica ottica, la luce è spesso trattata come un messaggero che trasporta informazioni sugli oggetti che tocca. Quando un fascio di luce colpisce un oggetto vibrante, la luce diffusa cambia in modi che rivelano il movimento dell'oggetto, un principio utilizzato in tutto, dalla diagnostica medica al rilevamento di pianeti lontani. Tuttavia, l'interazione funziona in entrambe le direzioni. Proprio come il movimento cambia la luce, la luce esercita una piccola spinta fisica sull'oggetto, una forza nota come pressione di radiazione. Sebbene gli scienziati siano da tempo in grado di misurare come il movimento alteri la luce, usare la luce per spingere e controllare con precisione il movimento di oggetti più grandi ed estesi è rimasto una sfida difficile. La forza è incredibilmente debole e, per oggetti complessi, è difficile indirizzare quella spinta verso parti specifiche della superficie senza influenzare l'intero elemento.

Un team di ricercatori dell'Università dell'Arizona ha ora dimostrato un nuovo modo per sfruttare questa sottile forza. Sono riusciti a usare un fascio di luce dalla forma speciale per spingere e controllare le vibrazioni di una minuscola membrana quadrata di nitruro di silicio. Modellando la luce in un pattern complesso e poi spostando rapidamente quel pattern, sono stati in grado di eccitare vibrazioni specifiche nella membrana e persino di raffreddarne il moto. Questo lavoro colma una lacuna tra la misurazione del movimento meccanico e il suo controllo attivo, aprendo la strada verso tecnologie più avanzate che si basano sulla delicata danza tra luce e materia.

L'esperimento si è concentrato su una membrana microscopica, un foglio quadrato di nitruro di silicio lungo 2,5 millimetri per lato e spesso solo 90 nanometri. A occhio nudo, questo foglio appare solido, ma al microscopio si comporta come la pelle di un tamburo che può vibrare in molti pattern differenti. I ricercatori volevano vedere se potevano usare la luce per spingere questo tamburo in specifiche vibrazioni. Per farlo, hanno utilizzato un dispositivo chiamato demultiplexer di modo spaziale, che può prendere un fascio laser e dividerlo in diverse forme o pattern spaziali. Hanno scelto di lavorare con un insieme specifico di pattern di luce noti come modi Hermite-Gauss, che appaiono come griglie di punti luminosi e scuri.

Il cuore della scoperta risiede nel modo in cui questi pattern di luce interagiscono con la membrana. Quando i ricercatori hanno proiettato un singolo punto di luce semplice sulla membrana, la spinta risultante era uniforme su quel punto. Tuttavia, quando hanno combinato due diversi pattern di luce e hanno spostato la fase tra di essi, hanno creato un pattern di interferenza mobile. Immaginate due increspature in uno stagno che si sovrappongono; dove si incontrano, creano un nuovo pattern mutevole di picchi e valli. I ricercatori hanno fatto qualcosa di simile con la luce. Modulando la fase relativa tra due modi di luce, hanno creato un pattern di pressione di radiazione che si muoveva avanti e indietro sulla membrana.

Questa pressione mobile agiva come una mano che spinge un'altalena. Se il pattern di luce si muoveva alla velocità giusta, poteva spingere la membrana in una specifica vibrazione. Il team ha testato questo approccio combinando un punto di luce di base con forme più complesse. Hanno scoperto che la forza risultante dipendeva interamente da dove la luce colpiva la membrana. Ad esempio, combinando due specifici modi di luce, si creava un pattern di pressione che spingeva la membrana lateralmente, mentre un'altra combinazione la spingeva su e giù. Scansionando questi pattern di luce sulla superficie della membrana, sono stati in grado di mappare esattamente come la membrana rispondeva. Il risultato è stato un'immagine dettagliata che mostrava come la luce potesse eccitare selettivamente diversi modi vibratori, come quelli che sembrano una scacchiera o un numero otto, a seconda della forma della luce utilizzata.

Il traguardo più significativo dello studio è stato l'uso di questo controllo per raffreddare il moto della membrana. Tutti gli oggetti a temperatura ambiente vibrano a causa del calore, e queste minuscole vibrazioni sono una fonte di rumore che può interferire con le misurazioni sensibili. I ricercatori volevano fermare questo rumore termico. Hanno impostato un ciclo di feedback in cui misuravano il movimento della membrana e poi regolavano istantaneamente la fase della luce per spingere contro quel movimento, agendo efficacementmente come un freno. Poiché potevano modellare la luce per colpire specifici pattern vibratori, sono stati in grado di raffreddare due diverse, quasi identiche, vibrazioni contemporaneamente. Queste due vibrazioni, che avvengono a frequenze vicine a 263 kHz, sono così vicine come tono che solitamente interferiscono tra loro, rendendo difficile controllarle individualmente. I modi hanno un disaccordo di frequenza (detuning) di circa 30 Hz.

Utilizzando due diverse coppie di modi di luce, il team è riuscito a distinguere tra le due vibrazioni. Una coppia di modi di luce era sensibile alla prima vibrazione, mentre l'altra coppia era sensibile alla seconda. Hanno applicato un segnale di feedback a ciascuna coppia, rallentando il moto di ciascuna vibrazione indipendentemente. I dati hanno mostrato che potevano ridurre l'energia di queste vibrazioni di circa 10 decibel, una riduzione significativa del rumore termico. Il raffreddamento simultaneo di due modi distinti è un compito difficile nel campo dell'optomeccanica, e riuscire a farlo con un singolo fascio di luce modellato in due modi dimostra un nuovo livello di precisione.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre il semplice raffreddamento di una singola membrana. La capacità di usare la luce strutturata per spingere e tirare parti specifiche di un oggetto suggerisce nuovi modi per manipolare i sistemi meccanici. I ricercatori hanno osservato che questa tecnica potrebbe essere applicata ad altri sistemi meccanici, inclusi quelli che sono levitati in aria. Se gli stessi principi possono essere scalati, potrebbe essere possibile raffreddare più oggetti al loro stato di energia più basso possibile, una condizione nota come stato fondamentale (ground state), che è essenziale per l'informatica quantistica e la rilevazione di forze ultra-sensibili. Lo studio accenna anche alla possibilità di utilizzare diverse forme di luce, come quelle che ruotano come un tappo di bottiglia, per creare forze rotanti che potrebbero far ruotare oggetti meccanici.

Il successo dell'esperimento è dipeso dall'alta qualità della membrana di nitruro di silicio e dalla precisione del dispositivo di modellazione della luce. La membrana è stata posta in una camera ad alto vuoto per rimuovere la resistenza dell'aria, permettendole di vibrare liberamente. La sorgente luminosa era un laser con una lunghezza d'onda di 1550 nanometri, e l'intensità della luce è stata mantenuta bassa per evitare di riscaldare la membrana. I ricercatori hanno utilizzato un piano motorizzato per muovere il fascio di luce attraverso la membrana, creando una mappa della risposta della pressione di radiazione. Questa mappa ha confermato che la forza esercitata dalla luce era direttamente correlata alla forma della luce e alla posizione sulla membrana.

Questo lavoro rappresenta un passo avanti nel campo dell'optomeccanica quantistica, dove l'obiettivo è controllare il moto meccanico utilizzando le proprietà quantistiche della luce. Dimostrando che la pressione di radiazione può essere utilizzata per eccitare e raffreddare selettivamente specifici modi di un risonatore meccanico, i ricercatori hanno fornito un nuovo strumento agli scienziati. La capacità di controllare più modi simultaneamente è un requisito cruciale per preparare stati quantistici complessi, necessari per le tecnologie avanzate. Sebbene l'attuale esperimento sia stato condotto su una membrana relativamente grande, i principi qui dimostrati sono applicabili a sistemi più piccoli e complessi. I ricercatori suggeriscono che sviluppi futuri nella tecnologia di modellazione della luce potrebbero consentire un controllo ancora più preciso, portando potenzialmente a nuove applicazioni nella microscopia delle forze e nella manipolazione di particelle microscopiche.

Lo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dall'Office of Naval Research, sottolineando l'importanza di questa ricerca per i futuri progressi tecnologici. Il team ha riconosciuto i contributi dei propri colleghi nella fabbricazione della membrana e nel fornire supporto ingegneristico. Il loro lavoro è una chiara dimostrazione del fatto che, modellando la luce nel modo corretto, è possibile spingere e tirare il mondo fisico con una precisione che prima era fuori portata. Man mano che la tecnologia matura, potrebbe diventare uno strumento standard per gli scienziati che lavorano all'intersezione tra luce e materia, abilitando nuove scoperte nel regno quantistico.