Investigadores de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota han medido la fuerza de torsión, o par, generado por la luz en un chip de silicio. Su trabajo es prometedor para aplicaciones como giroscopios miniaturizados y sensores de torsión para medir el campo magnético, que puedetener un impacto industrial y de consumo significativo.
El nuevo estudio, titulado "Medición optomecánica del momento angular del espín de fotones y el par óptico en dispositivos fotónicos integrados" se publicó en la revista de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia Science Advances. Los autores son Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de MinnesotaProfesor asociado Mo Li, estudiante graduado Li He y asociado postdoctoral Huan Li.
El par, en el contexto de la luz, proviene del momento angular de giro de los fotones partículas de luz, y su medición es una prueba mecánica de la naturaleza cuántica de la luz. Aunque tales mediciones se han realizado en sistemas de escala mucho más grande, elLos últimos resultados se lograron dentro de una guía de onda del tamaño de un micrómetro, un cable delgado que guía la luz, y demostró el uso del par óptico para inducir el movimiento de rotación en un dispositivo mecánico de microescala.
luz polarizada y par óptico
La luz es una onda electromagnética, y su campo eléctrico puede oscilar libremente en cualquier dirección. Esto se llama polarización de la luz. Sus gafas de sol polarizadas y las gafas protectoras que usa para ver películas en 3D funcionan usando las propiedades de polarización de la luz.
En un tipo de estado de polarización llamado polarización circular, el campo de luz eléctrico gira en un círculo debido a que los fotones tienen un momento angular de giro. La teoría sugiere que dicho momento angular de giro conducirá a un par mecánico en los objetos que interactúan conla luz polarizada circularmente
Si bien las fuerzas ópticas como la presión de radiación se han estudiado y aprovechado durante un tiempo, el momento angular y la fuerza que induce, el par óptico, han permanecido relativamente inexplorados. La polarización de la luz juega un papel fundamental en la comunicación óptica. Cada vez que el estado dela polarización cambia, los fotones intercambian el momento angular con el dispositivo, lo que induce un par óptico.
La medición y explotación del momento angular y el par óptico resultante podrían dar a los científicos nuevas ideas sobre el control y la manipulación de la luz para las nuevas tecnologías.
Para proporcionar un contexto histórico al trabajo realizado por el profesor Mo Li y su equipo, considere esto: el momento angular de la luz se midió por primera vez a mediados de la década de 1930 durante los albores de la teoría cuántica de la luz por Richard Bethde la Universidad de Princeton y el Instituto Politécnico de Worcester. Su experimento midió el par óptico y confirmó lo que hasta ahora se había predicho teóricamente: los fotones pueden tener un momento angular. Estableció su experimento para medir el momento angular de rotación de los fotones en alto vacío, con mediciones basadas en elrotación de una placa de onda de dos pulgadas de diámetro, un dispositivo que puede alterar el estado de polarización de la luz que lo atraviesa. Como testimonio de la dificultad técnica de establecer el experimento, han sido pocos los experimentos para medir el par óptico y el momento angular.y lejos entre ellos
La medición del momento angular y el par óptico
El profesor Mo Li y su equipo fabricaron un dispositivo optomecánico integrado en un chip de silicio, con el elemento central del dispositivo como una guía de ondas, que mide solo 400 nm de ancho y 340 nm de alto a diferencia de la placa de onda de dos pulgadas de diámetro que Beth usó,suspendido como una cuerda del sustrato. La sección transversal rectangular de la guía de onda hace que la luz con polarización horizontal viaje más lentamente que la luz con polarización vertical. Tal efecto se llama birrefringencia, y en este caso particular es causado por la geometría de laguía de onda en lugar del material de la guía de onda.
La guía de onda funciona de la misma manera que una placa de onda para cambiar el estado de polarización de la luz. Cuando la luz polarizada circularmente se envía a dicha guía de onda, su estado de polarización continúa cambiando a medida que se propaga en la guía de onda y, en consecuencia, los fotonesintercambie el momento angular del giro con la guía de onda.
"El control de la polarización es fundamental para la comunicación óptica moderna. Sabemos por teoría que cuando se cambia la polarización en una fibra óptica o una guía de ondas de silicio, se les aplica un par", dijo Huan Li. "El efecto mecánico es que la guía de ondasestá torcido [por la luz] por una cantidad muy pequeña que no se ha medido previamente "
Para medir esta torsión causada por la luz, un pequeño haz de silicio inscrito con una cavidad óptica de alta calidad se une a la guía de ondas. Esto proporciona una alta sensibilidad de medición a la rotación del haz y la guía de ondas.
El haz de silicio es como el tablero de un balancín y la guía de onda es como el eje en el centro. Cuando la luz gira el eje, este último gira y el balancín se inclina, y esto es detectado por la cavidad óptica. Al cambiar la polarizaciónde entrada de luz periódicamente, el equipo del profesor Mo Li observó que el nanobeam también giraba periódicamente, revelando el par óptico aplicado en la guía de onda.
"A partir de los resultados de la medición, pudimos calcular el momento angular de rotación transportado por un solo fotón, lo que equivale a la constante fundamental de Planck multiplicada por un factor que puede ser controlado por la geometría de la guía de onda", dijo Li He.el experimento revela la propiedad mecánica cuántica de la luz en un chip "
Para el profesor Mo Li y su equipo, es emocionante que su experimento proporcione la primera medición inequívoca del momento angular de giro de los fotones y el par óptico generado en un dispositivo fotónico integrado. El resultado de su experimento también demuestra que el par óptico esinfluenciado por la birrefringencia geométrica, además del material de la guía de ondas. Además, dado que el momento angular de los fotones es independiente de la frecuencia de la luz la frecuencia es la que le da a la luz sus diferentes colores, el efecto del par óptico es el mismola banda espectral
En una época en la que se aprovecha el poder de la luz para una variedad de aplicaciones diferentes que van desde la medicina hasta los sistemas de comunicación, explorar las características y los efectos resultantes de los fotones puede tener un impacto de gran alcance para los dispositivos científicos, la tecnología militar, la infraestructura ydispositivos de consumo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :