Als een stemvork die met een hamer wordt geslagen, kleine gouden nanoschijven kunnen worden gemaakt om te trillen op resonantiefrequenties wanneer ze door licht worden geraakt. Bij nieuw onderzoek Rice University-onderzoekers toonden aan dat ze die trillingsfrequenties selectief kunnen veranderen door nanoschijven van verschillende grootte in groepen te verzamelen.

"In de stemvork-analogie, het zou zijn alsof we de geluiden van verschillende vorken zouden kunnen veranderen door ze dicht bij elkaar te brengen, " zei Rice-nanowetenschapper Stephan Link, de hoofdonderzoeker van een onderzoek in deze week Proceedings van de National Academy of Sciences . "Maar op nanoschaal we horen geen toonverschuiving; we zien in plaats daarvan een kleine verandering in kleur. We hebben aangetoond dat door nanodisks te groeperen, we kunnen hun akoestische resonantie op een ordelijke en voorspelbare manier verschuiven, die nuttig zou kunnen zijn in de optomechanica."

Optomechanica is een samengevoegde tak van de natuurkunde, materiaalwetenschap en nanofotonica die zich richt op de interacties tussen licht en mechanische apparaten. Optomechanische systemen worden gebruikt in telecommunicatie, microscopie, kwantumcomputers en sensoren, inclusief de laserinterferometers die in 2016 de eerste zwaartekrachtgolven detecteerden.

Rice postdoctoraal onderzoeksmedewerker Chongyue Yi en collega's in het laboratorium van Link en de onderzoeksgroep van Rice nanofotonica-pionier Naomi Halas hebben meer dan een dozijn monstergroepen van nanoschijven gemaakt en getest met behulp van elektronenstraallithografie. Elke groep kleine gouden schijven zat bovenop een plat oppervlak dat een substraat wordt genoemd, dat was soms gewoon glas en soms aluminiumoxide. ja, de eerste auteur van de studie, hield toezicht op tests op nanoschijven variërend in grootte van 78 tot 178 nanometer in diameter, die waren geconfigureerd in patronen met twee tot twaalf schijven.

Yi gebruikte twee sets laserstralen om de resonantie van de groepen te testen. Een pulslaser werd gebruikt om de schijven te raken, die een uitbarsting van energie toevoegde analoog aan de hamer die op de stemvork sloeg. De lichtpuls zorgde voor een bijna onmiddellijke uitbarsting van warmte, waardoor de metalen schijven zeer snel uitzetten en samentrekken, enkele miljarden keren per seconde. Een tweede laserstraal werd gebruikt om deze trillingen te onderzoeken door kleine veranderingen in hun kleur in een microscoop te detecteren. De kleur was te wijten aan oppervlakteplasmonen, coherente oscillaties van geleidingsbandelektronen, die intensiteitsfluctuaties ervoeren met de frequentie of snelheid waarmee de schijven uitzetten en samentrekken.

De experimenten van Link en Yi toonden aan dat de resonantiefrequentie van kleinere schijven met ongeveer 20 procent verschoof wanneer ze in de buurt van grotere schijven werden geplaatst. In samenwerking met theoretici van Rice en de Universiteit van Melbourne, de onderzoekers stelden vast dat de akoestische trillingen van grotere deeltjes door het substraat reisden om de resonanties van kleinere deeltjes te wijzigen. Om deze uitleg te testen, Yi voerde verdere experimenten uit om aan te tonen dat hij de trillingsfrequenties van zijn monsters voorspelbaar kon veranderen door hun grootte en afstand te variëren, evenals de oppervlakken waaraan ze waren bevestigd.

"Het hangt er echt van af welk substraat we gebruiken, "Zei Yi. "Met glas, de frequentieverandering is groter dan bij aluminiumoxide. Glas is zachter. Als het materiaal stijver is, het is moeilijker om het te laten trillen."

Link zei dat het onderzoek wijst op een nieuwe manier voor ingenieurs om lichtenergie om te zetten in mechanische energie en vice versa op nanoschaal.

"Dit geeft ons een nieuwe knop voor het nauwkeurig afstemmen van de lichtopbrengst van metalen nanostructuren, " zei hij. "Het opent de deur voor nieuwe toepassingen in beveiligde communicatie, voelen en meer."