Light-motion interaction in disordered nanostructures
La interacció de la llum confinada en una cavitat òptica amb els graus de llibertat mecànics de la matèria en els sistemes optomecànics permet la investigació fonamental en física mesoscòpica i el desenvolupament de microdispositius d’alt rendiment com sensors o processadors de senyals òptics. La di...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2021 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/672001 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/672001 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Optomecànica Optomecánica Optomechanics Sistemes desordenats Sistemas desordenados Disordered systems Ciències Experimentals 53 |
| Sumario: | La interacció de la llum confinada en una cavitat òptica amb els graus de llibertat mecànics de la matèria en els sistemes optomecànics permet la investigació fonamental en física mesoscòpica i el desenvolupament de microdispositius d’alt rendiment com sensors o processadors de senyals òptics. La dinàmica d’aquests sistemes queda determinada per un conjunt petit de paràmetres els valors dels quals poden ser controlats per disseny. Per una altra banda, les imperfeccions que resulten dels processos de nano-fabricació fan del seu control un repte en estructures nanomètriques com els cristalls optomecànics. Això imposa límits severs en els sistemes d’última generació, fent que el desordre sigui considerat perjudicial. Tot i això, la interacció entre ordre i desordre en la dispersió múltiple de la llum ofereix una ruta alternativa per confinar fortament la llum. Aquest procés es coneix com a localització d’Anderson, un fenomen originalment descrit per als electrons en la física de l’estat sòlid. En principi, el mateix passa amb les ones elàstiques (fonons), conduint a modes de vibració mecànics estretament localitzats. Tot i això, no s’ha observat directament la localització d’Anderson en fonons d’alta freqüència, ja que són difícils d’excitar i la seva radiació de camp llunyà és limitada. Es pot utilitzar cavitats òptiques d’Anderson com a sonda local per estudiar la localització per desordre de les ones acústiques? Quina és la probabilitat de trobar fotons i fonons espacialment colocalitzats? Són aquestes dues ones igualment sensibles a les imperfeccions de fabricació? Podem manipular, via la pressió de radiació, la dinàmica d’un mode mecànic en un sistema d’aquest tipus? Aquestes preguntes científiques articulen aquesta tesi. Per respondre a aquestes preguntes, hem identificat dos requisits principals. El primer és l’ús de cavitats òptiques d’alt factor de qualitat (Q), ja que la transducció del moviment escala amb Q. El segon és el grau de superposició entre els camps localitzats, ja que els modes acústics i òptics apareixen en posicions no correlacionades. El primer requisit es compleix en guies d’ona de cristall fotònic, on observem localització d’Anderson òptica amb Q de fins a 100000. Mitjançant aquests modes òptics, demostrem la transducció de desplaçaments mecànics en dos rangs de freqüència: modes mecànics de tota l’estructura suspesa, amb freqüències entre 100 i 500 MHz, i modes mecànics guiats d’alta freqüència (~7 GHz). En tots dos casos, la llum confinada en les cavitats permet amplificar el seu desplaçament fins que les oscil·lacions són coherents i autosostingudes. En la banda de 7 GHz, el sistema que hem explorat constitueix una plataforma perfecta per observar fenòmens de localització de fonons d’alta freqüència. No obstant això, aquestes guies optomecàniques en cristalls bidimensionals no tenen cap mecanisme que garanteixi a priori un alt grau de colocalització. Per evitar aquest problema, estudiem numèricament un altre sistema basat en reflectors distribuïts de Bragg unidimensionals compostos per GaAs i AlAs. Es demostra una millora estadística de l’acoblament optomecànic, g, pel qual el sistema esdevé un candidat prometedor per observar la localització d’Anderson de fonons a 20 GHz mitjançant espectroscòpia de fonons coherents en experiments de bombament-sondeig. Utilitzem aquesta tècnica experimental per excitar i detectar una nano-cavitat creada a la interfície de dues multicapes acústiques perfectament periòdiques. Aquest estat topològic 0-dimensional constitueix un banc de proves per a comprendre les implicacions més bàsiques de les propietats topològiques dels cristalls en les seves superfícies i interfícies. Finalment, analitzem numèricament el cas de les guies d’ona topològiques, quantificant el seu potencial per al transport de fotons sense dissipació, una premissa pel desenvolupament de cavitats i circuits optomecànics més compactes i eficients. |
|---|