Фотоны плюс фононы: Оптический транзистор

Разработано устройство, позволяющее связать между собой электромагнитные и механические колебания и действующее, как оптический аналог транзистора, в котором можно управлять одним световым лучом с помощью другого.

В исследовании, опубликованном 11 ноября в журнале Science, исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Института Макса Планка в Германии объявили об открытии метода связи фотонов и механических колебаний (фононов), который может оказаться полезным в сфере квантовых коммуникаций и информационных технологий.

Профессор Тобиас Киппенберг (Tobias Kippenberg) и его команда построили устройство, позволяющее контролировать луч света, который проходит через оптический микрорезонатор, с помощью другого луча. Устройство действует как оптический аналог транзистора, в котором один пучок излучения (более мощный) влияет на интенсивность другого.

Оптический микрорезонатор имеет две ключевых особенности. Во-первых, он «захватывает» свет внутри крошечной структуры из оксида кремния, направляя его по круговой схеме. Во-вторых, эта структура вибрирует, как бокал, на строго определенной частоте. Размеры «бублика», закрепленного на кремниевой «подставке», составляют доли диаметра человеческого волоса, и частоты его вибрации в 10 000 раз выше, чем у бокала.

Когда свет попадает на устройство, возникает давление излучения, которое значительно усиливается резонатором. Возросшее давление деформирует «бублик», меняя частоту его колебаний. Взаимосвязь фотонов и фононов приводит к тому, что более сильный лазерный пучок, изменив параметры системы, может «включить» или «выключить» более слабый, также как один электрический сигнал в транзисторе может управлять другим.

«О теоретической возможности возникновения этого эффекта мы знали уже более двух лет, - объясняет Альберт Шлиссер (Albert Schliesser) из Института Макса Планка. – Но получить его на практике оказалось непросто».

Применение эффекта, получившего имя OMIT (optomechanically-induced transparency – оптомеханически индуцированная прозрачность) может открыть совершенно новые функциональные возможности фотоники. Например, разработка оптических буферов, которые смогут хранить оптическую информацию в течение нескольких секунд. С точки зрения фундаментальных исследований разработанное устройство предлагает способ управления оптико-механической системой на квантовом уровне, выступая в качестве интерфейса в гибридных квантовых системах – задача, над которой работают многие исследователи по всему миру.