Vibrerende nanopartikler interagerer:Placering af nanodiske i grupper kan ændre deres vibrationsfrekvenser

Som en stemmegaffel slået med en hammer, små guld nanodiske kan fås til at vibrere ved resonansfrekvenser, når de rammes af lys. I ny forskning, Rice University-forskere viste, at de selektivt kan ændre disse vibrationsfrekvenser ved at samle forskellige størrelser nanodiske i grupper.

"I stemmegaffel-analogien, det ville være, som om vi kunne ændre lyden af ​​flere gafler ved at bringe dem tæt sammen, " sagde Rice nanoforsker Stephan Link, ledende forsker på en undersøgelse i denne uges Proceedings of the National Academy of Sciences . "Men på nanoskalaen, vi hører ikke et toneskifte; vi ser i stedet en lille ændring i farven. Vi har vist, at ved at gruppere nanodiske, vi kan ændre deres akustiske resonans på en velordnet og forudsigelig måde, som kunne være nyttig i optomekanik."

Optomekanik er en fusioneret gren af ​​fysik, materialevidenskab og nanofotonik, der fokuserer på samspillet mellem lys og mekaniske enheder. Optomekaniske systemer bruges i telekommunikation, mikroskopi, kvanteberegning og sensorer, inklusive laserinterferometre, der detekterede de første tyngdekraftsbølger i 2016.

Rice postdoc-forsker Chongyue Yi og kolleger i Links laboratorium og forskningsgruppen af ​​Rice nanophotonics-pioneren Naomi Halas skabte og testede mere end et dusin prøvegrupperinger af nanodiske ved hjælp af elektronstrålelitografi. Hver gruppe af små guldskiver sad oven på en flad overflade kaldet et substrat, som nogle gange var almindeligt glas og nogle gange aluminiumoxid. Yi, undersøgelsens første forfatter, overvågede tests på nanodiske i størrelser fra 78 til 178 nanometer i diameter, som blev konfigureret i mønstre indeholdende to til 12 diske.

Yi brugte to sæt laserstråler til at teste gruppernes resonans. En pulslaser blev brugt til at ramme diskene, hvilket tilførte et udbrud af energi analogt med, at hammeren rammer stemmegaflen. Lyspulsen gav et næsten øjeblikkeligt udbrud af varme, hvilket fik metalskiverne til at udvide sig og trække sig sammen meget hurtigt, flere milliarder gange hvert sekund. En anden laserstråle blev brugt til at undersøge disse vibrationer ved at detektere små ændringer i deres farve i et mikroskop. Farven skyldtes overfladeplasmoner, kohærente oscillationer af ledningsbåndelektroner, som oplevede intensitetsudsving med frekvensen eller hastigheden, hvormed diskene udvidede sig og trak sig sammen.

Link og Yi's eksperimenter viste, at resonansfrekvensen af ​​mindre diske skiftede omkring 20 procent, når de blev placeret i nærheden af ​​større diske. I samarbejde med teoretikere ved Rice og University of Melbourne, forskerne fastslog, at de akustiske vibrationer fra større partikler bevægede sig gennem substratet for at ændre resonanserne af mindre partikler. For at teste denne forklaring, Yi udførte yderligere eksperimenter for at vise, at han forudsigeligt kunne ændre vibrationsfrekvenserne af sine prøver ved at variere deres størrelse og afstand såvel som de overflader, de var knyttet til.

"Det afhænger virkelig af hvilket underlag vi bruger, " sagde Yi. "Med glas, frekvensændringen er større end med aluminiumoxid. Glas er blødere. Hvis materialet er mere stift, det er sværere at få det til at vibrere."

Link sagde, at forskningen peger på en ny måde for ingeniører at konvertere lysenergi til mekanisk energi og omvendt på nanoskala.

"Dette giver os en ny knap til præcis justering af lysoutput fra metalliske nanostrukturer, " sagde han. "Det åbner døren for nye applikationer inden for sikker kommunikation, sansning og mere."