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

No mundo silencioso da física óptica, a luz é frequentemente tratada como uma mensageira que carrega informações sobre os objetos que toca. Quando um feixe de luz atinge um objeto vibrante, a luz espalhada muda de formas que revelam o movimento do objeto, um princípio usado em tudo, desde o diagnóstico por imagem médica até a detecção de planetas distantes. No entanto, a interação funciona nos dois sentidos. Assim como o movimento altera a luz, a luz exerce um pequeno empurrão físico no objeto, uma força conhecida como pressão de radiação. Embora os cientistas há muito tempo consigam medir como o movimento altera a luz, usar a luz para empurrar e controlar precisamente o movimento de objetos maiores e estendidos permaneceu um desafio difícil. A força é incrivelmente fraca e, para objetos complexos, é difícil direcionar esse empurrão para partes específicas da superfície sem afetar o todo.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Arizona demonstrou agora uma nova maneira de aproveitar essa força sutil. Eles usaram com sucesso um feixe de luz especialmente moldado para empurrar e controlar as vibrações de uma pequena membrana quadrada feita de nitreto de silício. Ao moldar a luz em um padrão complexo e, em seguida, deslocar rapidamente esse padrão, eles foram capazes de excitar vibrações específicas na membrana e até mesmo resfriar seu movimento. Este trabalho preenche uma lacuna entre medir o movimento mecânico e controlá-lo ativamente, abrindo um caminho para tecnologias mais avançadas que dependem da delicada dança entre a luz e a matéria.

O experimento centrou-se em uma membrana microscópica, uma folha quadrada de nitreto de silício medindo 2,5 milímetros de cada lado e apenas 90 nanômetros de espessura. A olho nu, esta folha parece sólida, mas sob um microscópio, ela se comporta como a pele de um tambor que pode vibrar em muitos padrões diferentes. Os pesquisadores queriam ver se poderiam usar a luz para empurrar este tambor em vibrações específicas. Para fazer isso, utilizaram um dispositivo chamado demultiplexador de modo espacial, que pode pegar um feixe de laser e dividi-lo em diferentes formas ou padrões espaciais. Eles escolheram trabalhar com um conjunto específico de padrões de luz conhecidos como modos Hermite-Gauss, que se parecem com grades de pontos claros e escuros.

O cerne da descoberta reside em como esses padrões de luz interagem com a membrana. Quando os pesquisadores projetavam um ponto de luz simples e único sobre a membrana, o empurrão resultante era uniforme em todo esse ponto. No entanto, quando combinaram dois padrões de luz diferentes e deslocaram a fase entre eles, criaram um padrão de interferência móvel. Imagine duas ondulações em um lago se sobrepondo; onde elas se encontram, criam um novo padrão oscilante de picos e vales. Os pesquisadores fizeram algo semelhante com a luz. Ao modular a fase relativa entre dois modos de luz, criaram um padrão de pressão de radiação que se movia de um lado para o outro através da membrana.

Essa pressão móvel agiu como uma mão empurrando um balanço. Se o padrão de luz se movesse na velocidade certa, poderia empurrar a membrana em uma vibração específica. A equipe testou isso combinando um ponto de luz básico com formas mais complexas. Eles descobriram que a força resultante dependia inteiramente de onde a luz atingia a membrana. Por exemplo, combinar dois modos de luz específicos criou um padrão de pressão que empurrava a membrana lateralmente, enquanto outra combinação a empurrava para cima e para baixo. Ao varrer esses padrões de luz pela superfície da membrana, eles foram capazes de mapear exatamente como a membrana respondia. O resultado foi uma imagem detalhada mostrando que a luz poderia excitar seletivamente diferentes modos vibracionais, como aqueles que se parecem com um tabuleiro de xadrez ou um oito, dependendo da forma da luz utilizada.

A conquista mais significativa do estudo foi usar esse controle para resfriar o movimento da membrana. Todos os objetos em temperatura ambiente vibram devido ao calor, e essas pequenas vibrações são uma fonte de ruído que pode interferir em medições sensíveis. Os pesquisadores queriam interromper esse ruído térmico. Eles estabeleceram um loop de feedback onde mediam o movimento da membrana e, em seguida, ajustavam instantaneamente a fase da luz para empurrar contra esse movimento, agindo efetivamente como um freio. Como podiam moldar a luz para visar padrões vibracionais específicos, conseguiram resfriar duas vibrações diferentes e quase idênticas ao mesmo tempo. Essas duas vibrações, que ocorrem em frequências próximas de 263 kHz, são tão próximas em tom que geralmente interferem uma na outra, tornando difícil o controle individual. Os modos têm um desvio (detuning) de aproximadamente 30 Hz.

Ao usar dois pares diferentes de modos de luz, a equipe conseguiu distinguir entre as duas vibrações. Um par de modos de luz era sensível à primeira vibração, enquanto o outro era sensível à segunda. Eles aplicaram um sinal de feedback a cada par, retardando o movimento de cada vibração de forma independente. Os dados mostraram que eles puderam reduzir a energia dessas vibrações em cerca de 10 decibéis, uma redução significativa no ruído térmico. O resfriamento simultâneo de dois modos distintos é uma tarefa difícil no campo da optomecânica, e alcançar isso com um único feixe de luz moldado de duas formas demonstra um novo nível de precisão.

As implicações deste trabalho estendem-se além de apenas resfriar uma única membrana. A capacidade de usar luz estruturada para empurrar e puxar partes específicas de um objeto sugere novas maneiras de manipular sistemas mecânicos. Os pesquisadores observaram que esta técnica poderia ser aplicada a outros sistemas mecânicos, incluindo aqueles que são levitados no ar. Se os mesmos princípios puderem ser escalonados, pode ser possível resfriar múltiplos objetos para o seu estado de energia mais baixo possível, uma condição conhecida como estado fundamental, que é essencial para a computação quântica e para a detecção de forças ultra-sensíveis. O estudo também aponta para a possibilidade de usar diferentes formas de luz, como aquelas que giram como um saca-rolhas, para criar forças rotativas que poderiam girar objetos mecânicos.

O sucesso do experimento dependeu da alta qualidade da membrana de nitreto de silício e da precisão do dispositivo de modelagem de luz. A membrana foi colocada em uma câmara de alto vácuo para remover a resistência do ar, permitindo que vibrasse livremente. A fonte de luz era um laser com um comprimento de onda de 1550 nanômetros, e a intensidade da luz foi mantida baixa para evitar o aquecimento da membrana. Os pesquisadores usaram um estágio motorizado para mover o feixe de luz pela membrana, criando um mapa da resposta da pressão de radiação. Esse mapa confirmou que a força exercida pela luz estava diretamente relacionada à forma da luz e à posição na membrana.

Este trabalho representa um passo à frente no campo da optomecânica quântica, onde o objetivo é controlar o movimento mecânico usando as propriedades quânticas da luz. Ao demonstrar que a pressão de radiação pode ser usada para atuar e resfriar seletivamente modos específicos de um ressonador mecânico, os pesquisadores forneceram uma nova ferramenta para cientistas. A capacidade de controlar múltiplos modos simultaneamente é um requisito crucial para preparar estados quânticos complexos, que são necessários para tecnologias avançadas. Embora o experimento atual tenha sido conduzido em uma membrana relativamente grande, os princípios aqui demonstrados são aplicáveis a sistemas menores e mais complexos. Os pesquisadores sugerem que desenvolvimentos futuros na tecnologia de modelagem de luz poderiam permitir um controle ainda mais preciso, levando potencialmente a novas aplicações em microscopia de força e manipulação de partículas microscópicas.

O estudo foi apoiado pela National Science Foundation e pelo Office of Naval Research, destacando a importância desta pesquisa para futuros avanços tecnológicos. A equipe agradeceu as contribuições de seus colegas na fabricação da membrana e no fornecimento de suporte de engenharia. O trabalho deles é uma demonstração clara de que, ao moldar a luz da maneira correta, é possível empurrar e puxar o mundo físico com uma precisão que antes era inalcançável. À medida que a tecnologia amadurece, ela poderá tornar-se uma ferramenta padrão para cientistas que trabalham na interseção entre a luz e a matéria, permitindo novas descobertas no reino quântico.