Stel je een enkel deeltje voor, slechts een tiende van de diameter van een bacterie, wiens minuscule trillingen aanhoudende trillingen veroorzaken in een volledig mechanisch apparaat dat zo'n 50 keer groter is. Door slim gebruik te maken van het samenspel tussen licht, elektronen op het oppervlak van metalen, en warmte, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben voor het eerst een plasmomechanische oscillator (PMO) gemaakt, zo genoemd omdat het plasmonen - de collectieve oscillaties van elektronen aan het oppervlak van een metalen nanodeeltje - nauw koppelt aan de mechanische trillingen van het veel grotere apparaat waarin het is ingebed.

Het hele systeem, niet groter dan een rode bloedcel, heeft talloze technologische toepassingen. Het biedt nieuwe manieren om mechanische oscillatoren te miniaturiseren, verbetering van communicatiesystemen die afhankelijk zijn van de modulatie van licht, versterken extreem zwakke mechanische en elektrische signalen dramatisch en creëren buitengewoon gevoelige sensoren voor de kleine bewegingen van nanodeeltjes.

NIST-onderzoekers Brian Roxworthy en Vladimir Aksyuk beschreven hun werk in een recent nummer van optiek .

Het apparaatje bestaat uit een gouden nanodeeltje, ongeveer 100 nanometer in diameter, ingebed in een kleine cantilever - een miniatuur duikplank - gemaakt van siliciumnitride. Een luchtspleet ligt ingeklemd tussen deze componenten en een onderliggende gouden plaat; de breedte van de opening wordt geregeld door een elektrostatische actuator - een dunne gouden film die bovenop de cantilever zit en naar de plaat buigt wanneer een spanning wordt toegepast. Het nanodeeltje fungeert als een enkele plasmonische structuur met een natuurlijke, of resonerend, frequentie die varieert met de grootte van de opening, net zoals het stemmen van een gitaarsnaar de frequentie verandert waarop de snaar weerkaatst.

Wanneer een lichtbron, in dit geval laserlicht, schijnt op het systeem, het zorgt ervoor dat elektronen in de resonator gaan oscilleren, het verhogen van de temperatuur van de resonator. Dit vormt de basis voor een complexe uitwisseling tussen licht, hitte en mechanische trillingen in de PMO, waardoor het systeem verschillende belangrijke eigenschappen heeft.

Door een kleine, gelijkstroom naar de elektrostatische actuator die de opening dichtknijpt, Roxworthy en Aksyuk veranderden de optische frequentie waarmee de resonator trilt en de intensiteit van het laserlicht dat het systeem reflecteert. Een dergelijke optomechanische koppeling is zeer wenselijk omdat het de lichtstroom op siliciumchips kan moduleren en regelen en de voortplanting van lichtstralen die in de vrije ruimte reizen, kan vormen.

Een tweede eigenschap heeft betrekking op de warmte die de resonator genereert wanneer deze laserlicht absorbeert. De hitte zorgt ervoor dat de dunne goudfilm-actuator uitzet. De uitbreiding verkleint de kloof, het verminderen van de frequentie waarmee de ingebedde resonator trilt. Omgekeerd, als de temperatuur daalt, de actuator contracteert, het vergroten van de kloof en het verhogen van de frequentie van de resonator.

Cruciaal, de kracht die door de actuator wordt uitgeoefend, schopt de cantilever altijd in dezelfde richting waarin de cantilever al beweegt. Als het invallende laserlicht krachtig genoeg is, deze trappen zorgen ervoor dat de cantilever zichzelf in stand houdende oscillaties ondergaat met amplitudes die duizenden keren groter zijn dan de oscillaties van het apparaat als gevolg van de vibratie van zijn eigen atomen bij kamertemperatuur.

"Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat een enkele plasmonische resonator met afmetingen kleiner dan zichtbaar licht zulke zelfvoorzienende oscillaties van een mechanisch apparaat produceert, ' zei Roxworthy.

Het team toonde ook voor het eerst aan dat als de elektrostatische actuator een kleine mechanische kracht levert aan de PMO die in de tijd varieert terwijl het systeem deze zelfvoorzienende oscillaties ondergaat, de PMO kan op dat kleine variabele signaal vergrendelen en het enorm versterken. De onderzoekers toonden aan dat hun apparaat een zwak signaal van een naburig systeem kan versterken, zelfs als de amplitude van dat signaal slechts tien biljoenste van een meter is. Dat vermogen zou zich kunnen vertalen in enorme verbeteringen in het detecteren van kleine oscillerende signalen, zegt Roxworthy.