Nanosensorernas värld kan vara fysiskt liten, men efterfrågan är stor och växande, med lite tecken på avmattning. När elektroniska enheter blir mindre, deras förmåga att ge exakta, chipbaserad avkänning av dynamiska fysiska egenskaper som rörelse blir utmanande att utveckla.

En internationell grupp forskare har satt en bokstavlig vändning på denna utmaning, demonstrerar en ny optomekanisk resonator i nanoskala som kan detektera vridrörelser med nästan toppmodern känslighet. Deras resonator, i vilken de kopplar ljus, visar också torsionsfrekvensblandning, en ny förmåga att påverka optiska energier med hjälp av mekaniska rörelser. De rapporterar sitt arbete den här veckan i journalen Bokstäver i tillämpad fysik .

"Med utvecklingen av nanoteknik, förmågan att mäta och kontrollera vridrörelser på nanoskala kan vara ett kraftfullt verktyg för att utforska naturen, " sa Jianguo Huang från Xi'an Jiaotong University i Kina, en av verkets författare. Han är också knuten till Nanyang Technological University och Institute of Microelectronics, A*STAR i Singapore. "Vi presenterar en ny "beam-in-cavity"-design där en vridningsmekanisk resonator är inbäddad i en racerbanas optiska kavitet, för att demonstrera torsionsrörelseavkänning i nanoskala."

Ljus har redan använts på något liknande sätt för att upptäcka den mekaniska böjningen eller "andningen" av nanomaterial, kräver typiskt komplex och känslig koppling till ljuskällan. Detta nya tillvägagångssätt är nytt, inte bara när det gäller detektion av vridmoment i nanoskala, men också i sin integrerade ljuskopplingsdesign.

Med hjälp av en kiselbaserad nanotillverkningsmetod, Huang och hans team designade enheten för att tillåta ljus att koppla direkt via ett etsat galler till en vågledarkonfiguration, kallas en kapplöpningsbana, där nanoresonatorn sitter.

"När ljus kopplas in i racerbanan genom en gallerkoppling, mekanisk torsionsrörelse i kaviteten förändrar ljusets utbredning och ändrar kraften hos utgående ljus, " sa Huang. "Genom att detektera den lilla variationen av utgående ljus, torsionsrörelserna kan mätas."

Förutom att bara upptäcka vridmoment på deras mikronlånga spakarmar, resonatorerna kan också påverka de resulterande optiska egenskaperna hos den infallande signalen. Det mekaniska systemets torsionsfrekvens blandas med de modulerade optiska signalerna.

"Den mest överraskande delen är att när vi modulerar ingångsljuset, vi kan observera frekvensblandningen, ", sa Huang. "Det är spännande för frekvensblandning eftersom det bara har visats med böjnings- eller andningslägen tidigare. Detta är den första demonstrationen av torsionsfrekvensblandning, som kan ha konsekvenser för RF-signalmodulering på kretsen, såsom super-heterodynmottagare som använder optiska mekaniska resonatorer."

Detta är bara början för potentiell användning av vridmomentbaserade nanosensorer. Teoretiskt sett, det finns ett antal frekvensknep som dessa enheter kan spela för signalbehandling och avkänningstillämpningar.

"Vi kommer att fortsätta att utforska unika karaktärer hos denna torsionsoptomekaniska sensor och försöka demonstrera nya fenomen, såsom slutledning av dispersiv och dissipativ optomekanisk koppling gömd bakom avkänningen, " sa Huang. "För ingenjörskonst, magnetiska eller elektriskt känsliga material kan beläggas på ytan av torsionsstrålar för att känna av små variationer av fysiska fält, såsom magnetiska eller elektriska fält för att fungera som multifunktionella sensorer."