Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation

Licht en beweging worden meestal beschouwd als twee aparte werelden. Licht raast met ongelooflijke snelheden door de ruimte, terwijl beweging de trage, zware verschuiving van vaste objecten is. Toch zijn wetenschappers in een groeiend vakgebied van de natuurkunde aan het leren hoe ze deze twee werelden met elkaar kunnen laten communiceren. Ze bouwen minuscule machines waarin licht heen en weer kaatst, waarbij het materiaal zelf wordt geduwd en getrokken. Wanneer het licht sterk genoeg is en de machine klein genoeg, kunnen de fotonen — de deeltjes licht — de machine afkoelen tot de meest stille mogelijke staat, of ze kunnen de machine zo precies laten trillen dat het een instrument wordt om het universum waar te nemen. Deze interactie, waarbij licht beweging controleert en beweging licht verandert, vormt de basis voor een nieuwe generatie technologie die er op een dag de verbinding kan leggen tussen de microgolfsignalen die onze telefoons gebruiken en de lichtsignalen die data over het internet vervoeren.

Hiervoor moeten de gebruikte materialen uitzonderlijk zijn. Ze moeten stijf genoeg zijn om zeer snel te kunnen trillen, helder genoeg om intens licht door te laten zonder op te warmen, en in staat zijn om kwantuminformatie vast te houden. Diamant is een perfecte kandidaat. Het is het hardste natuurlijke materiaal, wat betekent dat het op ongelooflijk hoge snelheden kan trillen. Het is ook een uitstekende geleider van warmte, waardoor het niet smelt onder de kracht van een laser, en het kan kleine defecten huisvesten die fungeren als kwantumbits, de basiseenheden van toekomstige kwantumcomputers. Onderzoekers wilden al lang apparaten bouwen die diamant gebruiken om deze interactie te beheersen, maar het maken van een diamantstructuur die klein genoeg is om zowel licht als geluid tegelijkertijd te controleren, was een moeilijke uitdaging.

Een team van onderzoekers heeft nu een werkende versie van een dergelijk apparaat gebouwd. Ze creëerden een minuscule straal van enkelkristallijn diamant, die in de lucht zweeft en is voorzien van een nauwkeurig patroon van gaatjes. Deze structuur werkt als een val voor zowel licht als geluid. De gaatjes zijn zo gerangschikt dat ze een spiegel vormen die licht- en geluidsgolven terugkaatst naar het midden van de straal, waardoor ze in een zeer kleine ruimte worden opgesloten. De onderzoekers hebben deze straal ontworpen om ongelooflijk smal te zijn, slechts enkele honderden nanometers breed, wat de licht- en geluidsgolven dwingt om sterk met elkaar te interageren. Wanneer ze een laser in deze diamantstraal schijnen, gaat het licht niet alleen door de diamant heen; het duwt tegen de diamant aan, waardoor deze gaat trillen. Omdat de diamant zo stijf is, vinden deze trillingen plaats met een frequentie van ongeveer 12 miljard cycli per seconde, een snelheid die veel te snel is voor het menselijk oor te horen, maar perfect voor hoogwaardige technologie.

Het team ontdekte dat ze deze diamantstraal uit zichzelf konden laten trillen, zonder externe schudbewegingen. Door de laser af te stemmen op een specifieke frequentie, duwden ze het systeem voorbij een kantelpunt waarbij het licht energie begon toe te voegen aan de beweging sneller dan de diamant deze kon verliezen. Dit veroorzaakte dat de straal in een staat van zelfonderhouden oscillatie terechtkwam, waarbij hij continu trilt met een grote amplitude. Terwijl de diamant trilde, moduleerde deze het passerende licht, waardoor een reeks nieuwe lichtfrequenties, of kleuren, ontstond die gelijkmatig van elkaar verschillen. Deze verzameling kleuren staat bekend als een frequentiecomb. In dit experiment genereerden de onderzoekers een comb die een bereik besloeg van 143 miljard cycli per seconde, waarbij de individuele kleuren 12 miljard cycli per seconde uit elkaar lagen. Dit is een veel breder bereik en een grotere afstand tussen de kleuren dan wat is bereikt met soortgelijke apparaten gemaakt van andere materialen, wat de unieke kracht van het diamantplatform aantoont.

Door de vorm en intensiteit van deze lichtcomb te analyseren, konden de onderzoekers exact meten hoeveel de diamant bewoog. Ze berekenden dat het oppervlak van de diamant heen en weer bewoog over een afstand van 130 picometers. Om dit in perspectief te plaatsen: dit is ongeveer de breedte van een enkel atoom, maar de beweging vindt plaats met een snelheid van 12 miljard keer per seconde. Deze beweging veroorzaakt een enorme hoeveelheid spanning, of het rekken en indrukken, binnen het kristalrooster van de diamant. De totale spanning bereikte een niveau van 0,0011, wat meer dan vijftig keer sterker is dan wat in eerdere diamantexperimenten is bereikt. Dit niveau van spanning is significant omdat het sterk genoeg is om potentieel de kwantumtoestanden van defecten in de diamant te controleren.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het creëren van een nieuw type lichtbron. Het vermogen om een dergelijke sterke spanning bij zulke hoge frequenties te genereren, opent een directe weg naar het controleren van de kwantumbits die in diamant worden gevonden. Deze kwantumbits, die defecten in de diamantkristal zijn, kunnen worden gemanipuleerd door de mechanische spanning van de trillende straal. De onderzoekers toonden aan dat hun apparaat spanningsniveaus kon produceren die voldoende zijn om deze kwantumtoestanden te beïnvloeden, wat wijst op een manier om de mechanische beweging van de diamant te koppelen aan de interne kwantumeigenschappen. Dit kan leiden tot nieuwe manieren om informatie op te slaan of signalen tussen verschillende vormen van energie om te zetten. Het apparaat werkt bij kamertemperatuur, wat een groot voordeel is, aangezien het niet de extreme kou vereist die gewoonlijk nodig is voor kwantumeperimenten. De onderzoekers bevestigden hun bevindingen door middel van gedetailleerde metingen van de licht- en geluidinteracties, waarmee zij verifieerden dat de theoretische modellen van hoe licht en beweging in diamant aan elkaar koppelen, correct waren.

Deze prestatie vormt een belangrijke stap voorwaarts in het vakgebied van de optomechanica. Door te bewijzen dat een diamantkristal hoge frequentie trillingen en sterke licht-materie interacties kan ondersteunen bij kamertemperatuur, heeft het team een robuust platform geboden voor toekomstige experimenten. Het apparaat is in staat om complexe patronen van licht te genereren en precieze mechanische krachten uit te oefenen, allemaal binnen een structuur die kleiner is dan een menselijke haar. Het succes van dit experiment suggereert dat diamantgebaseerde systemen een standaardinstrument kunnen worden voor het bouwen van kwantumtechnologieën, waarbij een manier wordt geboden om de kloof tussen de mechanische wereld en de kwantumwereld te overbruggen. De onderzoekers zijn van plan de volgende stap te zetten door specifieke kwantumdefecten in deze trillende stralen te integreren, met als doel directe controle over kwantumtoestanden aan te tonen met behulp van mechanische beweging. Dit werk legt de basis voor een toekomst waarin licht, beweging en kwantuminformatie naadloos worden geïntegreerd in één enkele, krachtige technologie.