Föreställ dig en enda partikel, endast en tiondel av en bakteries diameter, vars små jigglar framkallar ihållande vibrationer i en hel mekanisk enhet som är cirka 50 gånger större. Genom att på ett smart sätt utnyttja samspelet mellan ljus, elektroner på ytan av metaller, och värme, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har för första gången skapat en plasmamekanisk oscillator (PMO), så namnet eftersom det tätt kopplar plasmoner – de kollektiva oscillationerna av elektroner på ytan av en metallnanopartikel – till de mekaniska vibrationerna hos den mycket större enheten den är inbäddad i.

Hela systemet, inte större än en röd blodkropp, har otaliga tekniska tillämpningar. Det erbjuder nya sätt att miniatyrisera mekaniska oscillatorer, förbättra kommunikationssystem som är beroende av modulering av ljus, dramatiskt förstärka extremt svaga mekaniska och elektriska signaler och skapa utsökt känsliga sensorer för nanopartiklars små rörelser.

NIST-forskarna Brian Roxworthy och Vladimir Aksyuk beskrev sitt arbete i ett färskt nummer av Optica .

Enheten består av en guld nanopartikel, cirka 100 nanometer i diameter, inbäddad i en liten cantilever - en miniatyr hoppbräda - gjord av kiselnitrid. Ett luftgap ligger inklämt mellan dessa komponenter och en underliggande guldplåt; spaltens bredd styrs av ett elektrostatiskt ställdon – en tunn guldfilm som sitter ovanpå konsolen och böjer sig mot plattan när en spänning appliceras. Nanopartikeln fungerar som en enda plasmonisk struktur som har en naturlig, eller resonans, frekvens som varierar med storleken på gapet, precis som att stämma en gitarrsträng ändrar frekvensen vid vilken strängen ekar.

När en ljuskälla, i detta fall laserljus, lyser på systemet, det får elektroner i resonatorn att svänga, höjer temperaturen på resonatorn. Detta skapar förutsättningar för ett komplext utbyte mellan ljus, värme och mekaniska vibrationer i PMO, ger systemet flera nyckelegenskaper.

Genom att applicera en liten, likströmsspänning till det elektrostatiska ställdonet som klämmer till gapet, Roxworthy och Aksyuk ändrade den optiska frekvensen vid vilken resonatorn vibrerar och intensiteten på laserljuset som systemet reflekterar. Sådan optomekanisk koppling är mycket önskvärd eftersom den kan modulera och styra ljusflödet på kiselchips och forma utbredningen av ljusstrålar som rör sig i fritt utrymme.

En andra egenskap hänför sig till värmen som genereras av resonatorn när den absorberar laserljus. Värmen gör att manöverdonet för den tunna guldfilmen expanderar. Expansionen minskar klyftan, minska frekvensen med vilken den inbäddade resonatorn vibrerar. Omvänt, när temperaturen sjunker, ställdonet avtalar, vidga gapet och öka resonatorns frekvens.

Avgörande, kraften som utövas av ställdonet sparkar alltid konsolen i samma riktning som konsolen redan rör sig. Om det infallande laserljuset är tillräckligt kraftfullt, dessa sparkar gör att konsolen genomgår självuppehållande svängningar med amplituder som är tusentals gånger större än enhetens svängningar på grund av vibrationerna från dess egna atomer vid rumstemperatur.

"Detta är första gången som en enda plasmonisk resonator med dimensioner mindre än synligt ljus har visat sig producera sådana självuppehållande svängningar av en mekanisk anordning, sa Roxworthy.

Teamet visade också för första gången att om det elektrostatiska ställdonet levererar en liten mekanisk kraft till PMO som varierar i tid medan systemet genomgår dessa självuppehållande svängningar, PMO kan låsa sig vid den där lilla variabla signalen och förstärka den avsevärt. Forskarna visade att deras enhet kan förstärka en svag signal från ett närliggande system även när den signalens amplitud är så liten som tio biljondelar av en meter. Den förmågan kan översättas till stora förbättringar när det gäller att upptäcka små oscillerande signaler, säger Roxworthy.