Bild på forskningen.
Fig. 1. Bilden visar ett konstnärligt intryck av en fritt upphängd mekanisk oscillator som reflekterar en fokuserad laserstråle. Illustration: Alexander Ericson

Experimentell plattform för starkare koppling mellan mikromekanik och ljus

Forskare på Chalmers har utvecklat en ny experimentell plattform för optomekanik – mekaniska oscillatorer av halvledarmaterialet aluminium-gallium-arsenid mönstrade med en så kallad fotonisk kristall. ”Denna plattform kan starkt öka kopplingen mellan ljus och materia och öppnar nya möjligheter inom kvantteknologin", säger Witlef Wieczorek, ledare för gruppen på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2.
Bild på forskningen.Hur kan ljus interagera med materien? Ett tydligt sätt är via strålningstryck, när ljus lyser på en yta. Denna kraft är liten i vardagen, men i mikro- och nanovärlden blir strålningstrycket märkbart och kan användas för att manipulera små föremål. Kraften kan även förstärkas i så kallade optomekaniska enheter.
– Optomekaniska enheter öppnar dörren till en värld av möjligheter, såsom att studera kvantmekaniskt beteende på större skalor än bara i atomära system. Eller att omvandla mikrovågor till optiska fotoner, vilket kan vara ovärderligt för att sända information till och från supraledande kvantdatorer, säger Witlef Wieczorek.


Fig. 2. Skannad elektronmikroskopbild av en tillverkad enhet:

en 100 nanometer tunn platta av GaAs är fritt upphängd och
hålls med fyra strängar över ett GaAs-underlag. Hålen i
enheten är ett fotoniskt kristallmönster som ger hög optisk
reflektivitet vid telekomvåglängder. Bild: Sushanth Kini Manjeshwar


I hans forskargrupp på MC2, arbetar man med optomekanik för att ytterligare öka interaktionen mellan ljus och materia. Den nu publicerade artikeln beskriver ett avgörande steg i denna riktning och presenterar en ny experimentell plattform baserad på specifikt anpassade heterostrukturer av halvledarmaterialet aluminium-gallium-arsenid, AlGaAs.

Bild på Sushanth Kini.Sushanth Kini Manjeshwar (till höger), doktorand i Witlef Wieczoreks grupp och artikelns huvudförfattare, tillverkade mekaniska oscillatorer med hög reflektionsförmåga i AlGaAs heterostrukturer i Chalmers renrum, Nanotekniklaboratoriet på MC2. Råmaterialet, en epitaxiellt producerad heterostruktur på en GaAs-skiva, framställdes av professor Shu Min Wangs forskargrupp på avdelningen för fotonik på MC2.
– Vi mönstrade de mekaniska resonatorerna med en så kallad fotonisk kristall, som kan förändra ljusets beteende. Kristallen ökar den mekaniska oscillatorns optiska reflektivitet, vilket är ett avgörande krav för projektet, förklarar Sushanth Kini Manjeshwar.
Det fotoniska kristallmönstret designades och utvecklades av docent Philippe Tassins forskargrupp på institutionen för fysik på Chalmers.

Forskarna har också kunnat visa att det går att tillverka två mekaniska oscillatorer med ett mellanrum mindre än en mikrometer ovanpå varandra. Detta är en viktig grundsten för nästa steg i projektet, där man planerar att integrera de presenterade enheterna i en chipbaserad optomekanisk oscillator. Det stora målet är då att få till en interaktion mellan en enda foton och en enda fonon, vilket är nödvändigt för att förverkliga ny hårdvara inom kvantteknologiområdet.

Den nu presenterade plattformen är det första experimentella arbetet från Wieczorek Lab på avdelningen för kvantteknologi på MC2. Artikeln har publicerats som Editor's Pick i ämnesområdet Hybrid Quantum Devices i den vetenskapliga tidskriften Applied Physics Letters.

Forskningen utfördes av ett nyetablerat samarbete mellan forskare från Chalmers bestående av Witlef Wieczoreks och Shu Min Wangs labbgrupper, båda på MC2, och av Philippe Tassins grupp på institutionen för fysik.

Finansieringen kommer från Chalmers Excellensinitiativ Nano, Vetenskapsrådet (VR), det Europeiska QuantERA-projektet C’MON-QSENS! och Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT).

Text: Witlef Wieczorek och Michael Nystås
Illustration: Alexander Ericson, Swirly Pop AB
Bild på enheten: Sushanth Kini Manjeshwar
Foto på Sushanth Kini Manjeshwar: Michael Nystås

Kontakt:
Witlef Wieczorek, docent, Avdelningen för kvantteknologi, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Sverige, witlef.wieczorek@chalmers.se, wieczorek-lab.com

Läs artikeln i Applied Physics Letters >>>
Suspended photonic crystal membranes in AlGaAs heterostructures for integrated multi-element optomechanics

Publicerad: to 02 jul 2020.