Retroacción dinámica en resonadores optomecánicos basados en espejos de Bragg
Los resonadores optomecánicos semiconductores se han convertido en una plataforma de interés para el estudio y desarrollo de sistemas de tecnologías cuánticas. Estos sistemas permiten investigar la interacción entre la luz y los grados de libertad mecánicos, la retroacción que estos ejercen y div...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2023
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1219/1/1Sesin.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Los resonadores optomecánicos semiconductores se han convertido en una plataforma
de interés para el estudio y desarrollo de sistemas de tecnologías cuánticas.
Estos sistemas permiten investigar la interacción entre la luz y los grados de libertad
mecánicos, la retroacción que estos ejercen y diversos fenómenos resultantes de este
acoplamiento. Los avances en las técnicas de fabricación e ingeniería han posibilitado
el desarrollo de distintos tipos de arquitecturas, que van más allá de simples transductores,
amplificadores, emisores y detectores. Algunas áreas clave de investigación y
aplicaciones para los resonadores optomecánicos semiconductores incluyen: (i) Procesamiento
de información cuántica: Estos resonadores sirven como interfaces luz-materia
para el intercambio de información entre diversos dispositivos de estado sólido. Esto
es particularmente valioso en el desarrollo de sistemas de comunicación cuántica y arquitecturas
de computación cuántica. (ii) Optomecánica cuántica: El estudio de los
resonadores optomecánicos permite la observación y manipulación de estados coherentes
en escalas macroscópicas mediante la interacción de la luz con osciladores mecánicos.
Esto ayuda a comprender mejor la naturaleza cuántica de objetos macroscópicos y explorar
el límite entre la mecánica clásica y cuántica. (iii) Fenómenos no lineales: Los
resonadores optomecánicos semiconductores pueden exhibir una serie de fenómenos no
lineales, como biestabilidad optomecánica y autooscilación, que pueden ser útiles para
desarrollar dispositivos novedosos y explorar nueva física en el régimen cuántico. (iv)
Aplicaciones de sensores: Estos resonadores pueden emplearse como sensores de alta
precisión para medir fuerza, masa o aceleración, con posibles aplicaciones en campos
como la biotecnología, la vigilancia ambiental y la ingeniería aeroespacial. (v) Peines
de frecuencia óptica: Los resonadores optomecánicos semiconductores pueden generar
peines de frecuencia óptica, que son fundamentales para aplicaciones como la espectroscop
ía, la metrología y la comunicación óptica.
Las estructuras dieléctricas periódicas, que surgieron a finales de la década de 1980,
dieron lugar al desarrollo de los reflectores distribuidos de Bragg (DBR) y microcavidades
semiconductoras. Estos dispositivos pueden fabricarse utilizando pozos cuánticos
semiconductores, lo que resulta en una modificación significativa de la emisión de estados
electrónicos confinados. En tales sistemas, los polaritones excitónicos de cavidad
desempeñan un papel crucial en la interacción entre la luz y los grados de libertad
mecánicos, permitiendo el estudio de fenómenos cuánticos y optomecánicos en escalas
macroscópicas.
Las microcavidades ópticas basadas en la familia de semiconductores de GaAs y
AlAs, diseñadas para confinar la luz en el rango de cientos de THz, son a la vez sistemas
que confinan de manera óptima vibraciones en el rango de GHz, en la misma
longitud de onda que la luz y con una distribución localizada similar. Como consecuencia,
estos sistemas presentan un rol de candidato pujante para combinar la física de
los polaritones de cavidad, la condensación de Bose-Einstein y la emisión de fotones
únicos, con fenómenos novedosos de optomecánica como emisión estimulada de sonido,
enfriamiento láser, sincronización de grados de libertad mecánicos, rigidez inducida por
luz, entre otros.
Además, cabe mencionar que estos sistemas han mostrado una gran capacidad para
operar con frecuencias mecánicas récord, alcanzando cientos de GHz que se establecen
por diseño. Este aspecto es de interés ante los considerables esfuerzos por aumentar las
frecuencias mecánicas de trabajo en sistemas optomecánicos de estado solido. Más aún,
una gran variedad de estos sistemas involucran vibraciones coherentes originadas superficialmente
(SAW) y en forma volumétrica (BAW), excitados de manera simultánea
tanto ópticamente como de manera eléctrica mediante dispositivos piezoeléctricos convenientemente
diseñados.
En este trabajo, se investiga la naturaleza de la interacción entre la luz y las vibraciones
confinadas en busca de observar efectos de retroalimentación dinámica en
estos resonadores. Para ello, se evalúan efectos de presión de radiación, donde la luz
fuerza mecánicamente al sistema al reflejarse en cada interfaz. Por otro lado, se evalúan
los fenómenos térmicos en los cuales el intercambio optomecánico involucra efectos de
expansión térmica durante procesos de absorción de fotones. Se discuten las consecuencias
de la electrostricción, donde la presencia de vibraciones modifica las propiedades
dieléctricas del sistema, modificando así el escenario para la luz. Más aun, se investigan
procesos optoelectrónicos donde la absorción de fotones perturba niveles electrónicos
del semiconductor que también influyen en la excitación y detección de vibraciones. Se
demuestra que todos ellos son esenciales en la búsqueda de no linealidades y de efectos
de retroalimentación cuando diferentes ingredientes son puestos en juego experimentalmente.
Una vez cuantificados los diversos mecanismos, se centra en la mediación de
polaritones de cavidad en el acoplamiento optomecánico, marcando la ruta para operar
con energías ópticas en sintonía con las resonancias electrónicas de los semiconductores.
Estos mediadores amplifican el acoplamiento optomecánico debido al carácter resonante
del mecanismo de potencial de deformación. En segundo lugar, brindan protección a
procesos de decoherencia e incluso evidencian efectos de protección en la vida media de
los fotones al trabajar a bajas temperaturas, amplificando la interacción varios ´ordenes
de magnitud respecto a una condición de excitación no resonante.
Por último, se presenta un prototipo de ingeniería de potenciales ópticos. Estos
potenciales son generados mediante excitación óptica en estructuras planares. Con
ello se amplifica la interacción fotón-fonón a niveles sin precedentes en estos sistemas,
operando a temperatura ambiente. Se demuestra experimentalmente la presencia de
efectos de retroalimentación dinámica, evidenciando efectos de enfriamiento óptico de
fonones de 180 GHz hasta 170 K por debajo de temperatura ambiente, trazando nuevos
métodos para el desarrollo de sistemas optomecánicos que operen frecuencias mecánicas
en el rango de centenas de GHz, con perspectivas para el desarrollo de redes y sistemas
de tecnologías cuánticas.
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