Lille optisk kraft kan flytte objekter i nanoskala

(PhysOrg.com) - Ingeniørforskere har brugt en meget lille lysstråle med så lidt som 1 milliwatt effekt til at flytte en siliciumstruktur op til 12 nanometer.

Med en smule løftestang, Cornell-forskere har brugt en meget lille lysstråle med så lidt som 1 milliwatt effekt til at flytte en siliciumstruktur op til 12 nanometer. Det er nok til fuldstændig at skifte strukturens optiske egenskaber fra uigennemsigtig til gennemsigtig, rapporterede de.

Teknologien kan have applikationer i design af mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) - nanoskalaenheder med bevægelige dele - og mikro-optomekaniske systemer (MOMS), som kombinerer bevægelige dele med fotoniske kredsløb, sagde Michal Lipson, lektor i el- og computerteknik.

Forskningen udført af postdoc-forsker Gustavo Wiederhecker, Long Chen, Ph.D. '09, Alexander Gondarenko, Ph.D. '10, og Lipson optræder i online-udgaven af ​​tidsskriftet Natur og vil udkomme i en kommende trykt udgave.

Lys kan opfattes som en strøm af partikler, der kan udøve en kraft på, hvad de rammer. Solen slår dig ikke af dine fødder, fordi kraften er meget lille, men på nanoskalaen kan det være betydeligt. "Udfordringen er, at der kræves store optiske kræfter for at ændre geometrien af ​​fotoniske strukturer, " forklarede Lipson.

Men forskerne var i stand til at reducere den kraft, der kræves ved at skabe to ringresonatorer - cirkulære bølgeledere, hvis omkreds er tilpasset til et multiplum af bølgelængden af ​​det anvendte lys - og udnytte koblingen mellem lysstråler, der rejser gennem de to ringe.

En lysstråle består af oscillerende elektriske og magnetiske felter, og disse felter kan trække genstande ind i nærheden, en mikroskopisk ækvivalent til den måde statisk elektricitet på tøj tiltrækker fnug. Dette fænomen udnyttes i en "optisk pincet", der bruges af fysikere til at fange små genstande. Kræfterne har en tendens til at trække alt ved kanten af ​​bjælken mod midten.

Når lys bevæger sig gennem en bølgeleder, hvis tværsnit er mindre end dens bølgelængde, løber noget af lyset ud, og dermed tiltrækningskraften. Så parallelle bølgeledere tæt sammen, hver bærer en lysstråle, bliver trukket endnu tættere på, snarere som to strømme af regnvand på en rude, der rører ved og trækkes sammen af ​​overfladespænding.

Forskerne skabte en struktur bestående af to tynde, flade siliciumnitridringe på omkring 30 mikrometer (milliontedele af en meter) i diameter monteret over hinanden og forbundet til en piedestal med tynde eger. Tænk på to cykelhjul på et lodret skaft, men hver med kun fire tynde, fleksible eger. Ringbølgelederne er tre mikron brede og 190 nanometer (nm - milliarder af en meter) tykke, og ringene er placeret 1 mikron fra hinanden.

Når lys ved en resonansfrekvens af ringene, i dette tilfælde infrarødt lys ved 1533,5 nm, føres ind i ringene, kraften mellem ringene er nok til at deformere ringene med op til 12 nm, som forskerne viste var nok til at ændre andre resonanser og tænde og slukke for andre lysstråler, der rejser gennem ringene. Når lyset i begge ringe er i fase -- bølgetoppene og dalene matcher -- trækkes de to ringe sammen. Når den er ude af fase, bliver de frastødt. Sidstnævnte fænomen kan være nyttigt i MEMS, hvor et vedvarende problem er, at siliciumdele har tendens til at hænge sammen, sagde Lipson.

En applikation i fotoniske kredsløb kan være at skabe et afstembart filter til at passere en bestemt optisk bølgelængde, Wiederhecker foreslog.

Leveret af Cornell University (nyheder:web)