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Funzionalità del 9 febbraio 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

I punti eccezionali sono un tipo distinto di singolarità spettrale nei sistemi non hermitiani e la loro fisica intrigante è in studio con punti eccezionali ottici. I punti eccezionali sono singolarità nelle funzioni energetiche di un sistema fisico, dove due modalità di luce possono fondersi per produrre effetti insoliti. Gli oscillatori meccanici sono un sistema oltre la fotonica che può accoppiarsi con molti sistemi fisici da esplorare ulteriormente nell'ambito del rilevamento meccanico, del trasferimento di energia topologica e delle dinamiche non reciproche.

In un nuovo studio ora disponibile su Science Advances, Ning Wu e un team di scienziati di ingegneria elettronica, scienza e tecnologia in Cina hanno sviluppato punti meccanici eccezionali su chip con una cavità della cerniera optomeccanica in silicio. Durante il processo, hanno accoppiato due modalità di respirazione meccanica quasi degenerata tramite un’unica modalità ottica colocalizzata. Il team ha adattato gli accoppiamenti dissipativi e coerenti tra i due oscillatori meccanici per osservare una caratteristica distinta dei punti eccezionali. I risultati forniscono una piattaforma fondamentale per studiare la fisica dietro i punti meccanici eccezionali sui chip di silicio con possibili applicazioni per misurazioni ipersensibili.

I sistemi non hermitiani scambiano energia con l’ambiente esterno in modo molto diverso dai sistemi hermitiani conservativi. Punti eccezionali esistono all'interno dei sistemi non hermitiani e sono osservati come speciali punti degenerati degli spettri. A causa della loro natura esotica, i ricercatori si aspettano da questo fenomeno concetti fisici intriganti. In passato, punti ottici eccezionali avevano mostrato il loro potenziale nell'ottica e nelle cavità a microonde, nelle lastre di cristalli fotonici e nelle strutture plasmoniche multistrato.

I ricercatori hanno anche osservato sperimentalmente fenomeni controintuitivi. Ad esempio, se un piccolo disturbo di forza specifica agiva sui punti eccezionali, la suddivisione spettrale osservata era proporzionale alla forza di interesse. I punti eccezionali in altri sistemi fisici possono essere ulteriormente esplorati in modo simile.

Durante questo lavoro, Wu e colleghi hanno dimostrato punti meccanici eccezionali su chip in una cavità con cerniera optomeccanica in un ambiente ambientale. Gli scienziati hanno accoppiato due modalità di respirazione meccanica gigahertz quasi degenerate utilizzando una singola modalità ottica. I risultati aprono la strada per condurre misurazioni ad alta sensibilità con punti meccanici eccezionali integrati sulle piattaforme per porre le basi per lo studio della fisica alla base di tali fenomeni.

I punti eccezionali meccanici si basano sull'accoppiamento optomeccanico multimodale; il fenomeno si presenta come due pendoli indipendenti con oscillazioni diverse, che interagiscono con una modalità ottica. La modalità ottica facilita una connessione a ponte tra le due modalità meccaniche per regolare la forza di accoppiamento tra le due.

Sulla base delle caratteristiche di un modello di accoppiamento optomeccanico multimodale, i ricercatori hanno proposto e progettato una cavità optomeccanica con cerniera contenente due cavità identiche di nanofasci di silicio con uno spazio su scala nanometrica tra di loro. I ricercatori hanno generato la cavità su un wafer di silicio su isolante e hanno utilizzato uno schema di sonda a pompa per monitorare la desintonizzazione e il tasso di dissipazione ottica. Hanno eccitato il modo ottico dispari per realizzare i punti meccanici eccezionali con un risultante adattamento lorentziano.