In een onderzoek dat deuren zou kunnen openen voor nieuwe toepassingen van fotonica, van moleculaire detectie tot draadloze communicatie, Wetenschappers van Rice University hebben een nieuwe methode ontdekt om de door licht geïnduceerde trillingen van nanodeeltjes af te stemmen door kleine veranderingen aan het oppervlak waaraan de deeltjes zijn gehecht.

In een studie die deze week online is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) gebruikten ultrasnelle laserpulsen om de atomen in gouden nanoschijven te laten trillen. Deze trillingspatronen, bekend als akoestische fononen, een karakteristieke frequentie hebben die direct verband houdt met de grootte van het nanodeeltje. De onderzoekers ontdekten dat ze de akoestische respons van het deeltje konden verfijnen door de dikte van het materiaal waaraan de nanoschijven waren bevestigd te variëren.

"Onze resultaten wijzen in de richting van een eenvoudige methode voor het afstemmen van de akoestische fononfrequentie van een nanostructuur in het gigahertz-bereik door de dikte van de adhesielaag te regelen, " zei hoofdonderzoeker Stephan Link, universitair hoofddocent scheikunde en elektrotechniek en computertechniek.

Licht heeft geen massa, maar elk foton dat een object raakt, zorgt voor een minuscule hoeveelheid mechanische beweging, dankzij een fenomeen dat bekend staat als stralingsdruk. Een tak van de natuurkunde die bekend staat als optomechanica heeft zich de afgelopen tien jaar ontwikkeld om stralingsdruk te bestuderen en te exploiteren voor toepassingen zoals zwaartekrachtgolfdetectie en het genereren van lage temperaturen.

Link en collega's van LANP zijn gespecialiseerd in een andere tak van wetenschap, plasmonica genaamd, die zich toelegt op de studie van door licht geactiveerde nanostructuren. Plasmonen zijn golven van elektronen die als een vloeistof over een metalen oppervlak stromen.

Wanneer een lichtpuls van een specifieke golflengte een metaaldeeltje raakt zoals de puck-vormige gouden nanoschijven in de LANP-experimenten, de lichtenergie wordt omgezet in plasmonen. Deze plasmonen klotsen over het oppervlak van het deeltje met een karakteristieke frequentie, op vrijwel dezelfde manier dat elk fonon een karakteristieke trillingsfrequentie heeft.

De eerste auteur van de studie, Wei Shun Chang, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Link, en afgestudeerde studenten Fangfang Wen en Man-Nung Su voerden een reeks experimenten uit die een direct verband aan het licht brachten tussen de resonantiefrequenties van de plasmonen en fononen in nanoschijven die waren blootgesteld aan laserpulsen.

"Het verwarmen van nanostructuren met een korte lichtpuls lanceert akoestische fononen die gevoelig afhankelijk zijn van de afmetingen van de structuur, " zei Link. "Dankzij geavanceerde lithografische technieken, experimentatoren kunnen plasmonische nanostructuren met grote precisie construeren. Op basis van onze resultaten, het lijkt erop dat plasmonische nanostructuren een interessant alternatief kunnen vormen voor conventionele optomechanische oscillatoren."

Chang zei dat plasmonische experts vaak vertrouwen op substraten bij het gebruik van elektronenstraallithografie om plasmonische structuren te modelleren. Bijvoorbeeld, gouden nanoschijven zoals die in de experimenten worden gebruikt, blijven niet aan glasplaatjes kleven. Maar als er een dun substraat van titanium of chroom aan het glas wordt toegevoegd, de schijven zullen hechten en blijven waar ze zijn geplaatst.

"De substraatlaag beïnvloedt de mechanische eigenschappen van de nanostructuur, maar er blijven veel vragen over hoe het dit doet, " zei Chang. "Onze experimenten onderzochten hoe de dikte van het substraat eigenschappen zoals adhesie en klankfrequentie beïnvloedde."

Link zei dat het onderzoek een gezamenlijke inspanning was waarbij onderzoeksgroepen van Rice en de Universiteit van Melbourne in Victoria betrokken waren. Australië.

"Wei-Shun en Man-Nung van mijn lab deden de ultrasnelle spectroscopie, ' zei Link. 'Fangfang, die in de groep van Naomi Halas zit hier bij Rice, de nanoschijven gemaakt. John Sader aan de Universiteit van Melbourne, en zijn postdoc Debadi Chakraborty berekenden de akoestische modi, en Yue Zhang, een afgestudeerde Rice-student van de groep van Peter Nordlander bij Rice simuleerde de optische/plasmonische eigenschappen. Bo Shuang van de onderzoeksgroep van Landes bij Rice heeft bijgedragen aan de analyse van de experimentele gegevens."