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Recurso de 9 de fevereiro de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Pontos excepcionais são um tipo distinto de singularidade espectral em sistemas não-Hermitianos e sua física intrigante está em estudo com pontos ópticos excepcionais. Pontos excepcionais são singularidades nas funções energéticas de um sistema físico, onde dois modos de luz podem se unir para produzir efeitos incomuns. Os osciladores mecânicos são um sistema além da fotônica que pode se acoplar a muitos sistemas físicos para explorar ainda mais o sensoriamento mecânico, a transferência de energia da topologia e a dinâmica não recíproca.

Em um novo estudo agora disponível na Science Advances, Ning Wu e uma equipe de cientistas em engenharia eletrônica, ciência e tecnologia na China desenvolveram pontos mecânicos excepcionais no chip com uma cavidade de zíper optomecânica de silício. Durante o processo, eles acoplaram dois modos de respiração mecânica quase degenerados por meio de um único modo óptico colocalizado. A equipe adaptou os acoplamentos dissipativos e coerentes entre os dois osciladores mecânicos para observar uma característica distinta de pontos excepcionais. Os resultados fornecem uma plataforma fundamental para investigar a física por trás dos pontos mecânicos excepcionais em chips de silício com possíveis aplicações para medições hipersensíveis.

Os sistemas não-Hermitianos trocam energia com o ambiente externo de forma bastante diferente dos sistemas hermitianos conservadores. Existem pontos excepcionais em sistemas não-Hermitianos e são observados como pontos degenerados especiais de espectros. Devido à sua natureza exótica, os pesquisadores esperam conceitos físicos intrigantes do fenômeno. No passado, pontos ópticos excepcionais mostraram seu potencial em cavidades ópticas e de micro-ondas, placas de cristal fotônico e estruturas plasmônicas multicamadas.

Os pesquisadores também observaram experimentalmente fenômenos contra-intuitivos. Por exemplo, se uma pequena perturbação de força específica agisse sobre os pontos excepcionais, a divisão espectral observada seria proporcional à força de interesse. Os pontos excepcionais em outros sistemas físicos podem ser explorados de forma semelhante.

Durante este trabalho, Wu e colegas demonstraram pontos mecânicos excepcionais no chip em uma cavidade optomecânica de zíper em um ambiente ambiente. Os cientistas combinaram dois modos de respiração mecânica quase degenerados de gigahertz usando um modo óptico singular. Os resultados abrem caminho para a realização de medições de alta sensibilidade com pontos mecânicos excepcionais integrados nas plataformas para, em última análise, preparar o terreno para o estudo da física subjacente a tais fenômenos.

Os pontos excepcionais mecânicos são baseados em acoplamento optomecânico multimodo; o fenômeno ocorre como dois pêndulos independentes com oscilações diferentes, interagindo com um modo óptico. O modo óptico facilita uma conexão tipo ponte entre os dois modos mecânicos para regular a força de acoplamento entre os dois.

Com base nas características de um modelo de acoplamento optomecânico multimodo, os pesquisadores propuseram e projetaram uma cavidade de zíper optomecânico contendo duas cavidades idênticas de nanofeixes de silício com uma lacuna em nanoescala entre elas. Os pesquisadores geraram a cavidade em um wafer de silício sobre isolante e usaram um esquema de sonda de bomba para monitorar a desafinação e a taxa de dissipação óptica. Eles ativaram o modo óptico ímpar para realizar os pontos mecânicos excepcionais com um ajuste Lorentziano resultante.