Imagine una sola partícula, solo una décima parte del diámetro de una bacteria, cuyas minúsculas sacudidas inducen vibraciones sostenidas en un dispositivo mecánico completo unas 50 veces más grande. Al aprovechar de manera inteligente la interacción entre la luz y los electrones en la superficie de los metales,y calor, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han creado por primera vez un oscilador plasmomecánico PMO, llamado así porque acopla firmemente los plasmones, las oscilaciones colectivas de electrones en la superficie de una nanopartícula de metal.- a las vibraciones mecánicas del dispositivo mucho más grande en el que está incrustado
Todo el sistema, no más grande que un glóbulo rojo, tiene innumerables aplicaciones tecnológicas. Ofrece nuevas formas de miniaturizar los osciladores mecánicos, mejorar los sistemas de comunicación que dependen de la modulación de la luz, amplificar dramáticamente señales mecánicas y eléctricas extremadamente débiles y crear exquisitamentesensores sensibles para los pequeños movimientos de las nanopartículas.
Los investigadores del NIST Brian Roxworthy y Vladimir Aksyuk describieron su trabajo en un número reciente de óptica .
El dispositivo consiste en una nanopartícula de oro, de aproximadamente 100 nanómetros de diámetro, incrustada en un pequeño voladizo, un trampolín en miniatura, hecho de nitruro de silicio. Un espacio de aire se encuentra entre estos componentes y una placa de oro subyacente; el anchodel actuador está controlado por un actuador electrostático, una delgada película dorada que se asienta sobre el voladizo y se dobla hacia la placa cuando se aplica un voltaje. La nanopartícula actúa como una estructura plasmónica única que tiene una frecuencia natural o resonante que varíacon el tamaño de la brecha, al igual que afinar una cuerda de guitarra cambia la frecuencia con la que la cuerda reverbera.
Cuando una fuente de luz, en este caso luz láser, brilla en el sistema, hace que los electrones en el resonador oscilen, elevando la temperatura del resonador. Esto prepara el escenario para un complejo intercambio entre la luz, el calor y las vibraciones mecánicas enPMO, dotando al sistema de varias propiedades clave.
Al aplicar un pequeño voltaje de corriente continua al actuador electrostático que cierra el espacio, Roxworthy y Aksyuk alteraron la frecuencia óptica a la que vibra el resonador y la intensidad de la luz láser que refleja el sistema. Tal acoplamiento optomecánico es altamente deseableporque puede modular y controlar el flujo de luz en chips de silicio y dar forma a la propagación de haces de luz que viajan en el espacio libre.
Una segunda propiedad se relaciona con el calor generado por el resonador cuando absorbe la luz láser. El calor hace que el actuador de película delgada de oro se expanda. La expansión reduce la brecha, disminuyendo la frecuencia a la que vibra el resonador incrustado. Por el contrario, cuando ella temperatura disminuye, el actuador se contrae, ampliando la brecha y aumentando la frecuencia del resonador.
Crucialmente, la fuerza ejercida por el actuador siempre patea el voladizo en la misma dirección en la que el voladizo ya está viajando. Si la luz láser incidente es lo suficientemente potente, estos golpes hacen que el voladizo sufra oscilaciones autosuficientes con amplitudes de miles deveces mayor que las oscilaciones del dispositivo debido a la vibración de sus propios átomos a temperatura ambiente.
"Esta es la primera vez que se ha demostrado que un solo resonador plasmónico con dimensiones más pequeñas que la luz visible produce oscilaciones autosustentables de un dispositivo mecánico", dijo Roxworthy.
El equipo también demostró por primera vez que si el actuador electrostático entrega una pequeña fuerza mecánica al PMO que varía en el tiempo mientras el sistema sufre estas oscilaciones autosuficientes, el PMO puede bloquear esa pequeña señal variable y amplificarla en gran medidaLos investigadores demostraron que su dispositivo puede amplificar una señal débil de un sistema vecino incluso cuando la amplitud de esa señal es tan pequeña como diez billonésimas de metro. Esa capacidad podría traducirse en grandes mejoras en la detección de pequeñas señales oscilantes, dice Roxworthy.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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