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Eccellente controllo ottico di oscillatori a meccanica quantistica

Gli scienziati hanno effettuato un lavoro rivoluzionario nel campo dell'accoppiamento optomeccanico e della meccanica quantistica. Sono riusciti a sviluppare tecniche in grado di controllare e rilevare lo stato di moto quantistico in oscillatori in miniatura.
Eccellente controllo ottico di oscillatori a meccanica quantistica
L'accoppiamento optomeccanico, ovvero l'accoppiamento tra luce e moto meccanico, consente il tuning ottico degli oscillatori a elevata precisione ed elevata frequenza. Il progetto USOM, finanziato dall'UE, ha cercato di facilitare l'accoppiamento optomeccanico ultraforte sfruttando la pressione di radiazione allo scopo di controllare l'oscillazione meccanica su scala quantistica. Per la prima volta, i ricercatori hanno inoltre preso in considerazione l'opportunità di utilizzare sistemi plasmonici di campi elettromagnetici confinati a volumi nanoscopici negli esperimenti e dispositivi di optomeccanica quantistica.

Ridurre le dimensioni dei sistemi può ottimizzare la forza di accoppiamento. Gli scienziati hanno utilizzato modelli di metodi degli elementi finiti (FEM, Finite Element Method) per progettare risonatori toroidali in silice miniaturizzati supportati da "raggi" con masse estremamente piccole e perdite estremamente basse. Le cavità a cristallo fotonico 2D hanno prodotto un accoppiamento record tra i modi della cavità ottica e il moto dei modi acustici (oscillazioni meccaniche ad alta frequenza). Il design supportato da "raggi" e la bassa massa hanno consentito il raffreddamento per pressione di radiazione del modo oscillatore allo stato fondamentale quantistico.

Alla fine, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare il controllo ottico attraverso lo stato di moto quantistico nell'oscillatore meccanico e di ottimizzare la funzione optomeccanica. Hanno successivamente sfruttato il sistema in nuovi protocolli sperimentali quantistici sviluppati nell'ambito del progetto. Insieme, le tecniche hanno consentito di raffreddare sistemi optomeccanici allo stato quantistico. Questi nuovi metodi hanno inoltre consentito il controllo e la lettura dello stato di moto quantistico negli oscillatori meccanici.

Una seconda linea di ricerca ha portato a esperimenti rivoluzionari che hanno studiato l'integrazione di un risonatore plasmonico con un oscillatore nanomeccanico. La risonanza plasmonica è un fenomeno di onde oscillanti di densità di carica elettronica confinate in uno spazio estremamente ridotto. Gli scienziati hanno impiegato un risonatore plasmonico come trasduttore di moto nanomeccanico consentendo una lettura del moto termico dell'oscillatore.

Il progetto USOM ha contribuito a sviluppi pionieristici nel campo dell'accoppiamento optomeccanico e al controllo ottico attraverso lo stato fondamentale quantistico del moto degli oscillatori. La tecnologia e le tecniche sviluppate nell'ambito di questo progetto promuoveranno anche lo sviluppo di nuovi dispositivi in altri campi, come quello del rilevamento e dell'elaborazione dei segnali.

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