Ученые из разных стран разработали метод воздействия на колебания в фотонном кристалле, используя временные дефекты в его кристаллической структуре. Они продемонстрировали возможность создания локализованных дефектов посредством светового воздействия.
Фононные кристаллические мембраны – это двумерные материалы, которые позволяют контролировать распространение вибраций или звуковых волн. Намеренное нарушение периодической структуры таких кристаллов, например, путем введения дефектов, может приводить к возникновению контролируемых, изолированных форм вибрации. Создание подобных дефектов, как правило, представляет собой сложный и трудоемкий процесс, а их удаление из кристалла не представляется возможным.
Канадские и швейцарские ученые разработали инновационный метод динамического перепрограммирования механических систем — оптическую пружину, управляемую светом. В качестве демонстрации принципа работы они создали механический кристалл, чья мода может быть временно изменена с помощью света. Результаты исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.
Изучая возможности применения оптических пружин, группа исследователей уже давно рассматривала возможность управления резонансом мембраны. Небольшие размеры резонатора и оптического поля позволяли предположить возможность существенного уменьшения площади мембраны, подверженной воздействию.
Согласно результатам моделирования, более крупные структуры демонстрируют повышенную чувствительность к каждому фотону, и, таким образом, даже один фотон способен вызывать ощутимое воздействие на перемещение устройства размером в сантиметр.
Экспериментально подтверждено соответствие результатов расчетов. В рамках исследования с использованием фотолитографии была изучена мембрана фононного кристалла, размер которой составил 3,3 на 3,1 миллиметра. Мембрана изготовлена из нитрида кремния и выглядит как сетка гексагональной конфигурации. Затем ученые выровняли оптоволоконный резонатор — два близко расположенных среза оптоволокна — вблизи центра этой мембраны, используя высокоточные направляющие, установили всю систему на виброизолирующей платформе в ультравысоком вакууме.
После сборки и стабилизации системы исследователи применили резонатор для генерации мощного оптического поля, создающего давление на мембранный участок размером 10 нанометров, выполняющий функцию пружины. Данный участок взаимодействует только с одним шестиугольником на всей мембране.
Используя эту оптическую пружину, ученые преднамеренно нарушили регулярную структуру мембраны, сформировав дефект — сместив часть кристалла относительно общей плоскости. Изменяя мощность лазера, им удалось динамически и обратимо корректировать характеристики этого дефекта. Полученные результаты были подтверждены экспериментальным путем.
Предлагается новый метод диагностики механических дефектов открыл возможности для создания перепрограммируемых механических систем. Например, массивы таких дефектов могут быть использованы для программирования волноводов, предназначенных для маршрутизации механической информации.