Resonance of optical nano-cavity modified by nano-antenna

 

 

2016-03-29

Ingénierie au CNRS @insis_cnrs 

[Actu] Une nano-antenne « papillon » pour accorder la résonance d’une nano-cavité optique > bit.ly/21QLtnu pic.twitter.com/SQ9yCjOReM

 

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity

Excerpts:

An optical cavity, resonating cavity or optical resonator is an arrangement of mirrors that forms a standing wave cavity resonator for light waves.

The most common types of optical cavities consist of two facing plane (flat) or spherical mirrors. (1st case below).

 

Light (confined in a resonator) will reflect multiple times from the mirrors, and due to the effects of interference, only certain patterns and frequencies of radiation will be sustained by the resonator, with the others being suppressed by destructive interference. In general, radiation patterns which are reproduced on every round-trip of the light through the resonator are the most stable, and these are the eigenmodes, known as the modes, of the resonator.

Resonator modes can be divided into two types: longitudinal modes, which differ in frequency from each other; and transverse modes, which may differ in both frequency and the intensity pattern of the light.

 

End of excerpts

 

 

Extrait de communiqué de presse

 

F. I. Baida et T. Grosjean
Double-way spectral tunability for the control of optical nanocavity resonance
Scientific Reports (décembre 2015)
doi:10.1038/srep17907

 

 

Une cavité optique est un dispositif dans lequel certains rayons lumineux sont susceptibles de rester confinés grâce à des miroirs sur lesquels ils se réfléchissent.

 

En fonction de la forme de la cavité, seules quelques longueurs d’ondes, correspondant à des modes de résonance, y sont présents.

 

Pour contrôler la lumière à l'échelle nanométrique, les chercheurs développent des nano-cavités optiques à base de cristaux photoniques.

(…)

 

L’équipe Nano-optique de l’Institut Femto-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM) a développé un concept reposant sur l’exploitation des propriétés de couplage d’une nano-cavité optique à un élément extérieur :

une nano-antenne métallique sur pointe qui vient au voisinage de la nano-cavité pour la « perturber » et décaler spectralement sa résonance.

 

La spécificité de cette nano-antenne sur pointe repose sur son ouverture en forme de papillon (ouverture papillon fibrée). Avec cette forme particulière, la nano-antenne présente des propriétés dipolaires, tant électrique que magnétique, simultanées et inédites.

 

Elle peut ainsi interagir de manière contrôlée à la fois avec les champs lumineux électrique et magnétique présents dans la nano-cavité.

 

Sachant que la perturbation sélective de ces deux champs constitutifs de la lumière a des effets opposés sur le décalage de la longueur d’onde de résonance d’une nano-cavité, les chercheurs ont trouvé un moyen simple et nouveau de contrôler la nano-cavité : la longueur d’onde de résonance est ainsi déplacée vers le rouge si l’effet électrique est majoritaire, et vers le bleu dans le cas d’un effet magnétique prépondérant. Les influences respectives des effets électrique et magnétique sont contrôlées simplement en jouant sur la distance qui sépare la nano-cavité de la nano-antenne.

Cette hypothèse a été validée à travers une étude théorique complète. L’équipe de Femto-ST a ainsi obtenu pour la première fois, une accordabilité totale permettant d’augmenter ou de diminuer la longueur d’onde de résonance, en couplant la cavité avec un seul et unique élément. Ce résultat ouvre la voie au contrôle post-production des propriétés de résonance de nano-cavités optiques. Il marque une étape importante pour la maîtrise de l’émission des sources optiques intégrées, notamment en vue d’applications de type télécom. Ils pourraient par la suite être élargis à d’autres types de résonateurs.

 

 

 

 

 

"Quantum Physics: Photons paired with phonons"

 

Shining light on an object: Photons hit object and create phonons (vibratory energy packs) or absorb phonons

 

 

Retweeted by @NatureNews

How to achieve quantum coupling of light with mechanical vibrations (£) bit.ly/1PSGBIS pic.twitter.com/wYZ4OubIdj

 

 

 

 

 

Notes based on the article.

 

What happens if you shine light on an object? (e.g. on a silicon structure 15mm x 500nm x 250nm clamped at both ends – and which additionally is partially hollow and has holes on its surface).

 

Photons will hit the object, will exert a force on the object. As photons can go inside, the object will behave like an optical cavity; light will be trapped and photons will bounce back and forth inside the cavity. Photons hitting on the outside as well as those bouncing back and forth on the inside will set the object into mechanical vibration: there will be alternating expansions and contraction of the object’s width at about 5.3 GHz. As mentioned characteristically, the object will manifest a “breathing mode”.

 

 

Consider a photon with high energy and a photon with low energy. What happens when they hit the object?

 

It depends on the resonant frequency of the object cavity.

 

We could think of a "mighty photon" and a "weak barely moving photon" falling onto a vibrating wall (the vibration frequency determines what happens).

 

The "mighty photon" - cf blue detuned pulse in the figure - when it hits the wall it could lose its energy and transmit it onto the wall. It thereby increases the vibration of the wall by providing a vibratory package, a phonon.

Photon creates (emits) phonon.

 

The "weak photon that can barely move" – comparable to the red detuned pulse in the figure – could maybe get some of the vibration of the wall. It will thereby receive a vibratory package, a phonon.

 

Photon absorbs – annihilates phonon.

 

The scientists have used photons with energies selected upon the resonant frequency of the cavity.

The blue detuned ones when hitting the object create a phonon.

The red detuned one when hitting the object absorb a phonon.

 

 

Second part of the article refers to "photon–phonon pairing", "the key result of the experiment".