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Scienziati controllano il flusso della luce con un transistor completamente ottico

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Il modo in cui la luce si propaga è una questione che assilla le menti di molti scienziati. Ricercatori tedeschi e svizzeri hanno gettato nuova luce su questo problema riuscendo a capire come deviare la luce in modo completamente ottico su un chip. In uno studio presentato online nella rivista Science, essi hanno dimostrato una forma di trasparenza indotta attivata dall'accoppiamento radiazione-pressione di due modalità: ottica e meccanica. Il loro lavoro, supportato da uno Starting Grant del Consiglio europeo della ricerca (CER) e da un Contributo per l'eccellenza Marie Curie, potrebbe portare a una serie di applicazioni nelle telecomunicazioni e nelle tecnologie dell'informazione quantistica.

I ricercatori, provenienti dall'Istituto Max Planck di ottica quantistica (MPQ) in Germania e dalla Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) in Svizzera, hanno detto che una trasparenza indotta in modo opto-meccanico potrebbe essere usata per la decelerazione e la memorizzazione su un chip di impulsi di luce mediante reti opto-meccaniche microfabbricate.Guidato dal professor Tobias J. Kippenberg dell'EPFL, il team ha scoperto che l'interazione della luce (fotoni) con le vibrazioni meccaniche (fononi) aiuta a controllare la trasmissione di un fascio di luce attraverso un microrisuonatore ottico basato su un chip in modo diretto mediante un secondo fascio di luce più forte.

Precedenti studi erano riusciti soltanto a far interagire una luce laser con dei vapori atomici tramite "trasparenza elettromagnetica indotta" (EIT), che può controllare in che modo si propaga la luce. Nonostante alcuni risultati interessanti, gli scienziati hanno scoperto che la EIT ha una serie di limitazioni, tra cui quella di essere limitata alla luce con lunghezze d'onda che corrispondono alle risonanze naturali degli atomi.

Dati gli scopi del loro studio, il team svizzero-tedesco ha basato il proprio principio sull'accoppiamento opto-meccanico di fotoni e oscillazioni meccaniche all'interno di un microrisuonatore ottico. Essi hanno usato i principali metodi di nanofabbricazione per creare dispositivi opto-meccanici che hanno la capacità di intrappolare la luce in orbite e simultaneamente fungere da oscillatori meccanici.

La pressione di radiazione, che si manifesta quando i fononi esercitano la loro forza, è il risultato che si ottiene quando la luce è accoppiata con il risuonatore. Nonostante per anni avessero usato questa forza per intrappolare e raffreddare gli atomi, gli scienziati hanno iniziato a riconoscere il suo potenziale per controllare le vibrazioni meccaniche su scala micro e nanoscopica solo negli ultimi cinque anni. Questo ha aperto la strada alla nascita della opto-meccanica delle cavità, un campo di ricerca che si concentra sull'unificazione della fotonica con la micro e la nano meccanica.

Il team ha scoperto che la forza della pressione di radiazione è rinforzata all'interno di un microrisuonatore ottico e può deformare la cavità, accoppiando in modo efficace la luce alle vibrazioni meccaniche. Anche un altro laser di "controllo" può essere accoppiato al risuonatore. I ricercatori hanno scoperto che la pulsazione di due laser innesca la vibrazione dell'oscillatore meccanico e arresta anche l'ingresso nel risuonatore della luce segnale mediante un effetto di interferenza opto-meccanica. Questo porta a una finestra di trasparenza per il fascio segnale.

Il dott. Schliesser, che lavora sia all'EPFL che al MPQ, ha detto: "Da più di due anni sappiamo che questo effetto esiste". E Stefan Weis, anch'egli attivo presso entrambi gli istituti e uno degli autori principali dello studio, ha aggiunto: "Una volta che abbiamo saputo dove guardare, era proprio lì".

L'effetto, denominato "OMIT" (trasparenza opto-meccanicamente indotta) dagli scienziati, potrebbe offrire al mondo della ricerca nuove e migliori funzionalità per la fotonica. Secondo il team, futuri sviluppi basati sulla OMIT potrebbero aiutare a convertire un flusso di fotoni in eccitazioni meccaniche (fononi); a realizzare buffer ottici che permettono un'ampliata memorizzazione ottica dei dati; e a portare benefici ai sistemi quantici ibridi.

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