Ny enhed modulerer lys og forstærker bittesmå signaler

Forestil dig en enkelt partikel, kun en tiendedel af en bakteries diameter, hvis små jiggles fremkalder vedvarende vibrationer i en hel mekanisk enhed, der er omkring 50 gange større. Ved at drage fordel af samspillet mellem lys, elektroner på overfladen af ​​metaller, og varme, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har for første gang oprettet en plasmomekanisk oscillator (PMO), så navngivet, fordi det tæt kobler plasmoner - de kollektive svingninger af elektroner på overfladen af ​​en metal -nanopartikel - til de mekaniske vibrationer af den meget større enhed, den er indlejret i.

Hele systemet, ikke større end en rød blodlegeme, har utallige teknologiske anvendelser. Det tilbyder nye måder at miniaturisere mekaniske oscillatorer, forbedre kommunikationssystemer, der er afhængige af lysets modulering, dramatisk forstærker ekstremt svage mekaniske og elektriske signaler og skaber udsøgt følsomme sensorer for de små bevægelser af nanopartikler.

NIST -forskerne Brian Roxworthy og Vladimir Aksyuk beskrev deres arbejde i et nyligt nummer af Optica .

Enheden består af en guld nanopartikel, omkring 100 nanometer i diameter, indlejret i en lille cantilever - et miniaturestykkebræt - lavet af siliciumnitrid. Et luftspalte ligger klemt inde mellem disse komponenter og en underliggende guldplade; åbningens bredde styres af en elektrostatisk aktuator - en tynd guldfilm, der sidder oven på udliggeren og bøjer mod pladen, når der påføres en spænding. Nanopartiklen fungerer som en enkelt plasmonisk struktur, der har en naturlig, eller resonant, frekvens, der varierer med afstanden, ligesom tuning af en guitarstreng ændrer frekvensen, hvormed strengen reverberates.

Når en lyskilde, i dette tilfælde laserlys, lyser på systemet, det får elektroner i resonatoren til at svinge, hæve resonatorens temperatur. Dette sætter scenen for en kompleks udveksling mellem lys, varme og mekaniske vibrationer i PMO, giver systemet flere vigtige egenskaber.

Ved at anvende en lille, jævnstrømsspænding til den elektrostatiske aktuator, der klemmer hullet, Roxworthy og Aksyuk ændrede den optiske frekvens, ved hvilken resonatoren vibrerer, og intensiteten af ​​laserlyset, systemet reflekterer. En sådan optomekanisk kobling er yderst ønskelig, fordi den kan modulere og kontrollere lysstrømmen på siliciumchips og forme udbredelsen af ​​lysstråler, der bevæger sig i frit rum.

En anden egenskab vedrører varmen, der genereres af resonatoren, når den absorberer laserlys. Varmen får den tynde guldfilmaktuator til at ekspandere. Udvidelsen mindsker hullet, formindske den frekvens, hvormed den integrerede resonator vibrerer. Omvendt når temperaturen falder, aktuator kontrakter, udvide kløften og øge resonatorens frekvens.

Vigtigt, kraften, der udøves af aktuatoren, sparker altid udliggeren i samme retning, som udliggeren allerede bevæger sig. Hvis det indfaldende laserlys er kraftigt nok, disse spark får cantilever til at undergå selvbærende svingninger med amplituder, der er tusindvis af gange større end enhedens oscillationer på grund af vibration af sine egne atomer ved stuetemperatur.

"Det er første gang, at en enkelt plasmonisk resonator med dimensioner mindre end synligt lys har vist sig at producere sådanne selvbærende svingninger af en mekanisk enhed, "sagde Roxworthy.

Holdet demonstrerede også for første gang, at hvis den elektrostatiske aktuator leverer en lille mekanisk kraft til PMO'en, der varierer i tid, mens systemet undergår disse selvbærende svingninger, PMO kan låse på det lille variable signal og forstærke det i høj grad. Forskerne viste, at deres enhed kan forstærke et svagt signal fra et nabosystem, selv når signalets amplitude er så lille som ti billioner af en meter. Denne evne kan udmønte sig i enorme forbedringer i detekteringen af ​​små oscillerende signaler, Roxworthy siger.