Forskere bruger lys til at undersøge akustisk tuning i guld nanodiske

I en undersøgelse, der kunne åbne døre for nye anvendelser af fotonik fra molekylær sansning til trådløs kommunikation, Forskere fra Rice University har opdaget en ny metode til at justere lysinducerede vibrationer af nanopartikler gennem små ændringer i overfladen, som partiklerne er knyttet til.

I en undersøgelse offentliggjort online i denne uge i Naturkommunikation , forskere ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) brugte ultrahurtige laserimpulser til at få atomerne i guld nanodiske til at vibrere. Disse vibrationsmønstre, kendt som akustiske fononer, har en karakteristisk frekvens, der relaterer sig direkte til størrelsen af ​​nanopartiklerne. Forskerne fandt ud af, at de kunne finjustere partiklens akustiske respons ved at variere tykkelsen af ​​det materiale, som nanodiskene var fastgjort til.

"Vores resultater peger i retning af en ligetil metode til at indstille den akustiske fononfrekvens af en nanostruktur i gigahertz-området ved at kontrollere tykkelsen af ​​dets adhæsionslag, " sagde ledende forsker Stephan Link, lektor i kemi og i elektro- og computerteknik.

Lys har ingen masse, men hver foton, der rammer et objekt, giver en lille mængde mekanisk bevægelse, takket være et fænomen kendt som strålingstryk. En gren af ​​fysik kendt som optomekanik har udviklet sig i løbet af det sidste årti til at studere og udnytte strålingstryk til applikationer som gravitationsbølgedetektion og lavtemperaturgenerering.

Link og kolleger hos LANP specialiserer sig i en anden gren af ​​videnskaben kaldet plasmonics, der er afsat til studiet af lysaktiverede nanostrukturer. Plasmoner er bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over en metaloverflade.

Når en lyspuls med en bestemt bølgelængde rammer en metalpartikel som de puckformede guld-nanodisketter i LANP-eksperimenterne, lysenergien omdannes til plasmoner. Disse plasmoner skvulper hen over overfladen af ​​partiklen med en karakteristisk frekvens, på nogenlunde samme måde som hver fonon har en karakteristisk vibrationsfrekvens.

Studiets første forfatter, Wei-Shun Chang, en postdoktor i Links laboratorium, og kandidatstuderende Fangfang Wen og Man-Nung Su gennemførte en række eksperimenter, der afslørede en direkte forbindelse mellem resonansfrekvenserne af plasmoner og fononer i nanodiske, der var blevet udsat for laserimpulser.

"Opvarmning af nanostrukturer med en kort lyspuls lancerer akustiske fononer, der følsomt afhænger af strukturens dimensioner, " sagde Link. "Takket være avancerede litografiske teknikker, eksperimentelister kan konstruere plasmoniske nanostrukturer med stor præcision. Baseret på vores resultater, Det ser ud til, at plasmoniske nanostrukturer kan udgøre et interessant alternativ til konventionelle optomekaniske oscillatorer."

Chang sagde, at plasmonikeksperter ofte stoler på substrater, når de bruger elektronstrålelitografi til at mønstre plasmoniske strukturer. For eksempel, guld nanodiske som dem, der blev brugt i eksperimenterne, vil ikke klæbe til glasglas. Men hvis et tyndt substrat af titanium eller chrom tilsættes glasset, diskene vil klæbe og blive, hvor de er placeret.

"Substratlaget påvirker de mekaniske egenskaber af nanostrukturen, men der er stadig mange spørgsmål om, hvordan det gør dette, " sagde Chang. "Vores eksperimenter undersøgte, hvordan tykkelsen af ​​underlaget påvirkede egenskaber som adhæsion og fononisk frekvens."

Link sagde, at forskningen var et samarbejde, der involverede forskningsgrupper ved Rice og University of Melbourne i Victoria, Australien.

"Wei-Shun og Man-Nung fra mit laboratorium lavede den ultrahurtige spektroskopi, " sagde Link. "Fangfang, som er i Naomi Halas' gruppe her på Rice, lavet nanodiskene. John Sader ved University of Melbourne, og hans postdoc Debadi Chakraborty beregnede de akustiske tilstande, og Yue Zhang, en Rice kandidatstuderende fra Peter Nordlanders gruppe på Rice simulerede de optiske/plasmoniske egenskaber. Bo Shuang fra Landes 'forskningsgruppe i Rice bidrog til analysen af ​​de eksperimentelle data. "