Sensing med et twist:En ny slags optisk nanosensor bruger drejningsmoment til signalbehandling

Verden af ​​nanosensorer kan være fysisk lille, men efterspørgslen er stor og voksende, med få tegn på langsommere. Efterhånden som elektroniske enheder bliver mindre, deres evne til at give præcise, chip-baseret sansning af dynamiske fysiske egenskaber såsom bevægelse bliver udfordrende at udvikle.

En international gruppe forskere har sat en bogstavelig drejning på denne udfordring, demonstrerer en ny optomekanisk resonator i nanoskala, der kan detektere torsionsbevægelse ved næsten den nyeste følsomhed. Deres resonator, hvori de kobler lys ind, demonstrerer også torsionsfrekvensblanding, en ny evne til at påvirke optiske energier ved hjælp af mekaniske bevægelser. De rapporterer deres arbejde i denne uge i journalen Anvendt fysik bogstaver .

"Med udviklingen af ​​nanoteknologi, evnen til at måle og kontrollere vridningsbevægelser på nanoskala kan give et kraftfuldt værktøj til at udforske naturen, " sagde Jianguo Huang fra Xi'an Jiaotong University i Kina, en af ​​værkets forfattere. Han er også tilknyttet Nanyang Technological University og med Institute of Microelectronics, A*STAR i Singapore. "Vi præsenterer et nyt 'beam-in-cavity'-design, hvor en vridningsmekanisk resonator er indlejret i et optisk racerbanehulrum, at demonstrere torsionsbevægelsesføling i nanoskala."

Lys er allerede blevet brugt på noget lignende måder til at detektere den mekaniske bøjning eller "ånding" af nanomaterialer, kræver typisk kompleks og følsom kobling til lyskilden. Denne nye tilgang er ny, ikke kun i dets påvisning af drejningsmomenter i nanoskala, men også i dets integrerede lyskoblingsdesign.

Ved hjælp af en siliciumbaseret nanofabrikationsmetode, Huang og hans team designede enheden til at tillade lys at koble direkte via et ætset gitter til en bølgelederkonfiguration, kaldet et racerbanehulrum, hvori nanoresonatoren sidder.

"Når lys kobles ind i racerbanens hulrum gennem en gitterkobling, mekanisk torsionsbevægelse i hulrummet ændrer lysets udbredelse og ændrer [styrken] af udgangslys, " sagde Huang. "Ved at detektere den lille variation af udgangslys, torsionsbevægelserne kan måles."

Udover blot at detektere drejningsmomenter på deres mikron-længde håndtagsarme, resonatorerne kan også påvirke de resulterende optiske egenskaber af det indfaldende signal. Det mekaniske systems torsionsfrekvens blandes med de modulerede optiske signaler.

"Den mest overraskende del er, at når vi modulerer indgangslyset, vi kan observere frekvensblandingen, " sagde Huang. "Det er spændende for frekvensblanding, da det kun er blevet demonstreret ved bøjnings- eller vejrtrækningstilstande før. Dette er den første demonstration af torsionsfrekvensblanding, hvilket kan have konsekvenser for RF-signalmodulation på chip, såsom super-heterodyne modtagere, der bruger optiske mekaniske resonatorer."

Dette er kun starten på potentielle anvendelser af momentbaserede nanosensorer. Teoretisk set, der er en række frekvenstricks, som disse enheder kan spille til signalbehandling og registreringsapplikationer.

"Vi vil fortsætte med at udforske unikke karakterer af denne torsionsoptomekaniske sensor og forsøge at demonstrere nye fænomener, såsom slutning om dispersiv og dissipativ optomekanisk kobling skjult bag sensingen, " sagde Huang. "Til teknik, magnetiske eller elektrisk følsomme materialer kan belægges på overfladen af ​​torsionsstråler for at registrere små variationer af fysiske felter, såsom magnetiske eller elektriske felter til at tjene som multifunktionelle sensorer."