Вся система, размером не больше эритроцита, имеет множество технологических применений. Он предлагает новые способы миниатюризации механических осцилляторов, улучшения систем связи, которые зависят от модуляции света, значительного усиления чрезвычайно слабых механических и электрических сигналов и создания исключительно чувствительных датчиков для крошечных движений наночастиц.
Исследователи NIST Брайан Роксуорти и Владимир Аксюк рассказали о своей работе в недавнем выпуске Optica.Устройство состоит из золотой наночастицы диаметром около 100 нанометров, встроенной в крошечный кантилевер — миниатюрную доску для прыжков в воду — из нитрида кремния. Между этими компонентами и лежащей под ними золотой пластиной зажат воздушный зазор; ширина зазора регулируется электростатическим приводом — тонкой золотой пленкой, которая находится наверху кантилевера и изгибается к пластине при приложении напряжения.
Наночастица действует как единая плазмонная структура, которая имеет естественную, или резонансную, частоту, которая зависит от размера зазора, точно так же, как настройка гитарной струны изменяет частоту реверберации струны.Когда источник света, в данном случае лазерный свет, попадает на систему, он заставляет электроны в резонаторе колебаться, повышая температуру резонатора. Это создает основу для сложного обмена светом, теплом и механическими колебаниями в PMO, наделяя систему несколькими ключевыми свойствами.
Путем подачи небольшого напряжения постоянного тока на электростатический привод, закрывающий зазор, Роксворти и Аксюк изменили оптическую частоту, на которой вибрирует резонатор, и интенсивность лазерного света, отражаемого системой. Такая оптомеханическая связь очень желательна, поскольку она может модулировать и управлять потоком света на кремниевых чипах и формировать распространение световых лучей, движущихся в свободном пространстве.Второе свойство относится к теплу, выделяемому резонатором, когда он поглощает лазерный свет. Тепло заставляет тонкую золотую пленку привода расширяться.
Расширение сужает зазор, уменьшая частоту вибрации встроенного резонатора. И наоборот, когда температура снижается, привод сжимается, увеличивая зазор и увеличивая частоту резонатора.
Важно отметить, что сила, прилагаемая приводом, всегда толкает кантилевер в том же направлении, в котором кантилевер уже движется. Если падающий лазерный свет достаточно мощный, эти удары заставляют кантилевер совершать самоподдерживающиеся колебания с амплитудой в тысячи раз большей, чем колебания устройства, из-за вибрации его собственных атомов при комнатной температуре.«Это первый раз, когда было показано, что одиночный плазмонный резонатор с размерами меньше видимого света производит такие самоподдерживающиеся колебания механического устройства», — сказал Роксворти.
Команда также впервые продемонстрировала, что если электростатический привод передает небольшое механическое усилие на PMO, которое изменяется во времени, пока система подвергается этим самоподдерживающимся колебаниям, PMO может зафиксировать этот крошечный переменный сигнал и значительно усилить его. Исследователи показали, что их устройство может усиливать слабый сигнал от соседней системы, даже если его амплитуда составляет всего десять триллионных долей метра.
По словам Роксворти, эта способность может привести к значительным улучшениям в обнаружении небольших колебательных сигналов.