Oscilaciones mecánicas entre dos nanohilos suspendidos como un puente cuando por ellos se propaga luz de fase alternada

Por Francisco R. Villatoro, el 6 agosto, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Nanotecnología • Óptica • Physics • Science

Dibujo20090806_Optical_interaction_between_two_coupled_waveguides_a_Schematic_illustration_b_optical_force_between_waveguides_d_Numerical_simulation_result_optical_force

La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos de escala nanométrica (inferior a su longitud de onda). Un nanohilo canaliza la luz propagando gran parte de la misma en forma de un modo evanescente (fuera del nanohilo). Dos nanohilos muy cercanos oscilan cuando por ellos pasa luz debido a la interacción de estos modos evanescentes que genera fuerzas nanomecánicas. Estas fuerzas tienen un origen completamente clásico y se pueden describir mediante las ecuaciones de Maxwell. Se había observado experimentalmente que estas fuerzas son atractivas pero teóricamente también podrían ser repulsivas. Li, Pernice y Tang han demostrado experimentalmente dicha predicción teórica, mostrando que la diferencia de fase entre la luz guiada por cada nanohilo controla si la picofuerza  (fuerza de piconewton) entre ellos es atractiva o repulsiva. Un nuevo avance en dos campos nanotecnológicos, la nanofotónica y la nanomecánica, que promete el desarrollo futuro de un gran número de nuevos dispositivos nanomecánicas controlados nanofotónicamente. El artículo técnico es Mo Li, W. H. P. Pernice, H. X. Tang, “Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves,” Nature Photonics 3: 464-468, August 2009 (preprint gratis en ArXiv). Por cierto, la información suplementaria es de obligada lectura para los interesados en la descripción teórica del fenómeno. He de confesar que me he enterado de este interesante artículo gracias a Kanijo “Científicos descubren que la fuerza de la luz tiene una energía de “empuje”,” Ciencia Kanija, 5 agosto 2009, que nos traduce un artículo publicado por los servicios de noticias de la Universidad de Yale, a la que pertenecen los autores. El artículo de Kanijo, como no, ha llegado a portada en Menéame. Mi idea es complementar con algunas imágenes y comentarios dicha noticia.

La figura que abre esta entrada os muestra un dibujo del concepto utilizando en el experimento: dos nanohilos suspendidos sobre un sustrato por los que se propagan sendos haces de luz (figura a). La fuerza observada (del orden de piconewtons, pN) que comba los nanohilos depende de la fase relativa entre dichos haces de luz y de la distancia que separa los nanohilos (figura b y d). Para obtener la figura d, los autores han cambiado la longitud de onda de la luz que se propaga por los nanohilos entre 1529 nm. y 1562 nm. (en 330 pasos) lo que es equivalente a variar la distancia de los nanohilos entre unos 50 nm. y unos 500 nm. (ver figura d). Por supuesto, esto es mucho más fácil que fabricar 330 nanopuentes separados múltiples distancias. Es importante destacar que la luz que se propaga por los nanohilos es de una longitud de onda de 1550 nm. (nanómetros) mucho mayor que la separación “efectiva” entre los nanohilos (entre 100 y 500 nm.) de ahí que se produzca una interacción entre los campos electromagnéticos guiados por cada nanohilo.

La clave de esta demostración experimental de un fenómeno previamente predicho teóricamente ha sido la posibilidad de controlar la fase de la luz a través de las nanoguías mediante el uso de acopladores de cristal fotónico (los agujeritos que se ven en la foto b, abajo, en los puentes transversales a las dos nanoguías).

Dibujo20090806_Left_Optical_microscope_image_device_and_Right_Scanning_electron_microscope_image_suspended_coupled_waveguides_photonic_crystal_waveguide_coupler
(a) imagen en el microscopio óptico del dispositivo utilizado y (b) imagen con microscopio electrónico de las dos nanoguías ópticas suspendidas y del acoplador de cristal fotónico.

El efecto del desfase entre los haces de luz en cada nanohilo lo podéis observar en la figura de abajo, obtenida mediante simulaciones numéricas. Cuando hay desfase, la onda de luz en cada nanohilo oscila de forma ligeramente diferente (colores rojo, verde y azul) apareciendo una fuerza efectiva entre cada trozo del nanohilo (la figura de abajo, superior, ilustra los posibles casos que se pueden dar), siendo la fuerza total entre ambos nanohilos la suma de todas estas fuerzas. Dependiendo del desfase la fuerza total es repulsiva o atractiva (la figura de abajo, inferior, muestra el campo electromagnético para 4 desfases diferentes).

Dibujo20090806_Numerical_Field_distribution_along_propagation_direction_of_directional_coupler_for_two_phases_differences



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