Cristal optomécanique avec états liés dans le continuum

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3187 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 19 août 2022.

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Les systèmes micro- et nano-optomécaniques à l'échelle d'une puce, s'appuyant sur la force intangible de pression de rayonnement, ont montré leur force unique en matière de détection, de transduction de signal et d'exploration de la physique quantique avec des résonateurs mécaniques. Les cristaux optomécaniques, l'une des principales plates-formes de dispositifs, permettent le moulage simultané de la structure de bande des photons optiques et des phonons micro-ondes avec un fort couplage optomécanique. Ici, nous démontrons une nouvelle race de cristaux optomécaniques dans des structures bidimensionnelles dalle sur substrat renforcées par des états liés mécaniques dans le continuum (BIC) à 8 GHz. Nous montrons l'émergence de BIC induite par la symétrie avec des couplages optomécaniques allant jusqu'à g/2π ≈ 2,5 MHz par cellule unitaire, à égalité avec les cristaux optomécaniques de basse dimension. Nos travaux ouvrent la voie à l'exploration de l'interaction photon-phonon au-delà des microcavités suspendues, ce qui pourrait conduire à de nouvelles applications de l'optomécanique, de la détection de phonons à la transduction quantique.

L'optomécanique des cavités a fait l'objet d'études approfondies ces dernières années en raison de la richesse physique associée à l'interaction optomécanique non linéaire et du large éventail d'applications prospectives allant de la transduction du signal à la détection1. L'une des principales architectures de dispositifs optomécaniques est celle des cristaux optomécaniques2, dans lesquels les structures à l'échelle micro et nanométrique donnent lieu à un fort couplage de force de rayonnement-pression entre des photons optiques de longueur d'onde similaire et des phonons micro-ondes. Grâce à l'ingénierie de la structure de bande de cristaux optomécaniques suspendus, des cavités défectueuses unidimensionnelles et quasi bidimensionnelles2,3,4 ont été créées avec des résonances optiques et mécaniques de longue durée5. De telles microcavités cristallines optomécaniques ont permis des expériences quantiques révolutionnaires, notamment le refroidissement de l'état fondamental des résonateurs mécaniques6, le test des inégalités de type Bell7 et une mémoire quantique mécanique8.

Malgré le succès des microcavités optomécaniques, il est hautement souhaitable d’explorer des cristaux optomécaniques bidimensionnels. D'une part, les cristaux optomécaniques bidimensionnels offrent plus de degrés de liberté pour la manipulation de l'interaction photon-phonon afin d'induire des phénomènes collectifs9,10,11,12. D’un autre côté, des cristaux optomécaniques étendus, en particulier dans les structures non suspendues, pourraient atténuer l’échauffement induit par l’absorption optique qui affecte les microcavités libérées16. Idéalement, de tels cristaux optomécaniques en dalle sur substrat devraient faciliter la dissipation des phonons thermiques tout en maintenant des résonances mécaniques de longue durée dans la couche du dispositif.

Récemment, des états liés mécaniques dans le continuum (BIC) ont été observés dans des cristaux phononiques bidimensionnels en dalle sur substrat . Bien qu'ils aient un vecteur d'onde de Bloch nul et qu'ils soient donc immergés spectralement dans le cône sonore du substrat, ces BIC mécaniques sont confinés dans la dalle en raison du découplage induit par la symétrie du champ de rayonnement acoustique. Il existe également des propositions et des démonstrations de BIC mécaniques dans des microcavités dues, par exemple, à une annulation accidentelle de l'amplitude du rayonnement18,19. Un pas en avant significatif consisterait donc à coupler des BIC mécaniques avec des résonances optiques dans un cristal optomécanique, ce qui apporterait un contrôle efficace de la force de pression de rayonnement et des fonctionnalités associées.

Dans ce travail, nous réalisons des cristaux optomécaniques bidimensionnels en silicium sur isolant avec des BIC mécaniques couplés à des résonances guidées optiques. Dans de tels cristaux optomécaniques périodiques, le couplage radiation-pression entre les modes mécanique BIC et optique dépend fortement de la symétrie des modes , qui dans de nombreux cas dicte un couplage optomécanique défavorablement nul. Ici, en tenant compte à la fois de la symétrie du cristal optomécanique et du réseau cristallin de silicium, nous sommes en mesure d'obtenir un couplage optomécanique jusqu'à g/2π ≈ 2,5 MHz par cellule unitaire entre un BIC mécanique à 8 GHz et un mode de bord de bande optique à 193 THz, ce qui est comparable aux cristaux optomécaniques suspendus unidimensionnels21. Grâce à la spectroscopie mécanique à transduction optique à température ambiante, nous démontrons le contrôle des BIC mécaniques et du couplage optomécanique via l'interaction de symétrie du cristal optomécanique et du matériau cristallin. Nos travaux ouvrent la voie à l’étude de l’interaction photon-phonon dans les cristaux optomécaniques BIC à basse température, lorsque les avantages de l’architecture de dispositif dalle sur substrat devraient se manifester, et à la physique topologique de Floquet au-delà du modèle à liaison étroite22.