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

In de stille wereld van de optische fysica wordt licht vaak behandeld als een boodschapper die informatie draagt over de objecten die het aanraakt. Wanneer een lichtstraal een vibrerend object raakt, verandert het verstrooide licht op manieren die de beweging van het object onthullen, een principe dat wordt gebruikt in alles van medische beeldvorming tot het detecteren van verre planeten. Echter, de interactie werkt beide kanten op. Net zoals beweging het licht verandert, oefent het licht een minuscule fysieke duw uit op het object, een kracht die bekend staat als stralingsdruk. Hoewel wetenschappers lang in staat zijn geweest om te meten hoe beweging het licht verandert, bleef het een moeilijke uitdaging om licht te gebruiken om de beweging van grotere, uitgebreide objecten precies te duwen en te controleren. De kracht is ongelooflijk zwak, en voor complexe objecten is het moeilijk om die duw naar specifieke delen van het oppervlak te richten zonder het hele object te beïnvloeden.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Arizona heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze subtiele kracht aan te wenden. Ze gebruikten succesvol een speciaal gevormde lichtstraal om de trillingen van een klein, vierkant membraan van siliciumnitride te duwen en te controleren. Door het licht in een complex patroon te vormen en dat patroon vervolgens snel te verschuiven, waren ze in staat om specifieke trillingen in het membraan te exciteren en de beweging ervan zelfs af te koelen. Dit werk overbrugt een kloof tussen het meten van mechanische beweging en het actief controleren ervan, wat een pad opent naar meer geavanceerde technologieën die rusten op de delicate dans tussen licht en materie.

Het experiment draaide om een microscopisch membraan, een vierkante plaat van siliciumnitride van 2,5 millimeter per zijde en slechts 90 nanometer dik. Voor het blote oog ziet dit vel verdikt uit, maar onder een microscoop gedraagt het zich als een trommelvel dat op veel verschillende manieren kan trillen. De onderzoekers wilden zien of ze licht konden gebruiken om dit trommelvel in specifieke trillingen te duwen. Hiervoor gebruikten ze een apparaat genaamd een ruimtelijke modus demultiplexer, die een laserstraal kan nemen en splitsen in verschillende ruimtelijke vormen, of patronen. Ze kozen ervoor om te werken met een specifieke set lichtpatronen die bekend staan als Hermite-Gauss modi, die eruitzien als roosters van heldere en donkere stippen.

De kern van de ontdekking ligt in hoe deze lichtpatronen interageren met het membraan. Wanneer de onderzoekers een enkele, eenvoudige lichtvlek op het membraan wierpen, was de resulterende duw uniform over die vlek. Echter, wanneer ze twee verschillende lichtpatronen combineerden en de fase tussen hen verschoven, creëerden ze een bewegend interferentiepatroon. Stel je voor dat twee rimpelingen in een vijver overlappen; waar ze elkaar ontmoeten, creëren ze een nieuw, verschuivend patroon van pieken en dalen. De onderzoekers deden iets soortgelijks met licht. Door de relatieve fase tussen twee lichtmodi te moduleren, creëerden ze een bewegend stralingsdrukpatroon dat heen en weer bewoog over het membraan.

Deze bewegende druk werkte als een hand die een schommel duwt. Als het lichtpatroon met de juiste snelheid bewoog, kon het het membraan in een specifieke trilling duwen. Het team testte dit door een basislichtvlek te combineren met complexere vormen. Ze ontdekten dat de resulterende kracht volledig afhankelijk was van waar het licht het membraan raakte. Bijvoorbeeld, het combineren van twee specifieke lichtmodi creëerde een drukpatroon dat het membraan zijwaarts duwde, terwijl een andere combinatie het omhoog en omlaag duwde. Door deze lichtpatronen over het oppervlak van het membraan te scannen, waren ze in staat om exact in kaart te brengen hoe het membraan reageerde. Het resultaat was een gedetailleerd beeld dat liet zien dat het licht selectief verschillende trillingsmodi kon exciteren, zoals die die lijken op een schaakbord of een figuur-acht, afhankelijk van de vorm van het gebruikte licht.

De meest significante prestatie van de studie was het gebruik van deze controle om de beweging van het membraan af te koelen. Alle objecten trillen bij kamertemperatuur door warmte, en deze minuscule trillingen zijn een bron van ruis die gevoelige metingen kan verstoren. De onderzoekers wilden deze thermische ruis stoppen. Ze zetten een feedbacklus op waarbij ze de beweging van het membraan maten en vervolgens direct de fase van het licht aanpasten om tegen die beweging in te duwen, wat effectief fungeerde als een rem. Omdat ze het licht konden vormen om specifieke trillingspatronen te targeten, waren ze in staat om twee verschillende, bijna identieke trillingen tegelijkertijd af te koelen. Deze twee trillingen, die voorkomen op frequenties nabij 263 kHz, liggen zo dicht bij elkaar in toonhoogte dat ze normaal gesproken met elkaar interfereren, wat het moeilijk maakt om ze individueel te controleren. De modi hebben een detuning van ongeveer 30 Hz.

Door twee verschillende paren lichtmodi te gebruiken, kon het team de twee trillingen onderscheiden. Eén paar lichtmodi was gevoelig voor de eerste trilling, terwijl het andere paar gevoelig was voor de tweede trilling. Ze pasten een feedbacksignaal toe op elk paar, waardoor de beweging van elke trilling onafhankelijk werd vertraagd. De gegevens toonden aan dat ze de energie van deze trillingen met ongeveer 10 decibel konden verminderen, een significante reductie van de thermische ruis. Deze gelijktijdige koeling van twee afzonderlijke modi is een moeilijke taak in het gebied van de optomechanica, en het bereiken hiervan met een enkele lichtstraal die op twee manieren is gevormd, demonstreert een nieuw niveau van precisie.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij alleen het koelen van een enkel membraan. Het vermogen om gestructureerd licht te gebruiken om specifieke delen van een object te duwen en te trekken, suggereert nieuwe manieren om mechanische systemen te manipuleren. De onderzoekers merkten op dat deze techniek kan worden toegepast op andere mechanische systemen, inclusief die die in de lucht zweven. Als dezelfde principes kunnen worden opgeschaald, zou het mogelijk zijn om meerdere objecten af te koelen tot hun laagst mogbare energietoestand, een conditie die bekend staat als de grondtoestand, wat essentieel is voor quantumcomputing en ultra-gevoelige krachtdetectie. De studie wijst ook op de mogelijkheid om verschillende vormen van licht te gebruiken, zoals die die draaien als een kurkentrekker, om roterende krachten te creëren die mechanische objecten kunnen laten spinnen.

Het succes van het experiment steunde op de hoge kwaliteit van het siliciumnitride membraan en de precisie van het lichtvormende apparaat. Het membraan werd in een hoog vacuümkamer geplaatst om luchtweerstand te verwijderen, waardoor het vrij kon trillen. De lichtbron was een laser met een golflengte van 1550 nanometers, en de intensiteit van het licht werd laag gehouden om opwarming van het membraan te voorkomen. De onderzoekers gebruikten een gemotoriseerd platform om de lichtstraal over het membraan te bewegen, waardoor een kaart van de stralingsdrukrespons werd gemaakt. Deze kaart bevestigde dat de door het licht uitgeoefende kracht direct gerelateerd was aan de vorm van het licht en de positie op het membraan.

Dit werk vormt een stap voorwaarts in het gebied van de quantum-optomechanica, waarbij het doel is om mechanische beweging te controleren met de kwantumeigenschappen van licht. Door aan te tonen dat stralingsdruk kan worden gebruikt om specifiek bepaalde modi van een mechanische resonator selectief te activeren en af te koelen, hebben de onderzoekers een nieuw instrument aan wetenschappers geboden. Het vermogen om meerdere modi simultaan te controleren is een cruciale vereiste voor het voorbereiden van complexe kwantumtoestanden, die noodzakelijk zijn voor geavanceerde technologieën. Hoewel het huidige experiment werd uitgevoerd op een relatief groot membraan, zijn de principes die hier gedemonstreerd worden toepasbaar op kleinere, complexere systemen. De onderzoekers suggereren dat toekomstige ontwikkelingen in lichtvormende technologie nog nauwkeuriger controle kunnen bieden, wat potentieel kan leiden tot nieuwe toepassingen in krachtmicroscopie en de manipulatie van microscopische deeltjes.

De studie werd ondersteund door de National Science Foundation en de Office of Naval Research, wat het belang van dit onderzoek voor toekomstige technologische ontwikkelingen benadrukt. Het team erkende de bijdragen van hun collega's bij het fabriceren van het membraan en het bieden van technische ondersteuning. Hun werk staat als een duidelijke demonstratie dat door licht op de juiste manier te vormen, het mogelijk is om op de juiste manier te duwen en te trekken aan de fysieke wereld met een precisie die voorheen onbereikbaar was. Naarmate de technologie volwassen wordt, kan het een standaardinstrument worden voor wetenschappers die werken op het snijvlak van licht en materie, wat nieuwe ontdekkingen in het kwantumdomein mogelijk maakt.