I en studie som kunde öppna dörrar för nya tillämpningar av fotonik från molekylär avkänning till trådlös kommunikation, Forskare från Rice University har upptäckt en ny metod för att ställa in de ljusinducerade vibrationerna i nanopartiklar genom små förändringar i ytan som partiklarna är fästa till.

I en studie publicerad online den här veckan i Naturkommunikation , forskare vid Rices laboratorium för nanofotonik (LANP) använde ultrasnabba laserpulser för att få atomerna i guldnanodiskar att vibrera. Dessa vibrationsmönster, känd som akustiska fononer, har en karakteristisk frekvens som direkt relaterar till nanopartikelns storlek. Forskarna fann att de kunde finjustera partikelns akustiska svar genom att variera tjockleken på materialet som nanodiskarna fästes på.

"Våra resultat pekar på en enkel metod för att justera den akustiska fononfrekvensen för en nanostruktur i gigahertz -intervallet genom att kontrollera tjockleken på dess vidhäftningsskikt, "sa huvudforskaren Stephan Link, docent i kemi och i el- och datateknik.

Ljus har ingen massa, men varje foton som träffar ett objekt ger en liten mängd mekanisk rörelse, tack vare ett fenomen som kallas strålningstryck. En gren av fysiken som kallas optomekanik har utvecklats under det senaste decenniet för att studera och utnyttja strålningstryck för applikationer som tyngdvågsdetektering och lågtemperaturgenerering.

Link och kollegor på LANP är specialiserade på en annan vetenskapsgren som kallas plasmonik som ägnas åt studier av ljusaktiverade nanostrukturer. Plasmoner är elektronvågor som flyter som en vätska över en metallisk yta.

När en ljuspuls med en specifik våglängd träffar en metallpartikel som de puckformade guldnanodiskarna i LANP-experimenten, ljusenergin omvandlas till plasmoner. Dessa plasmoner slashar över partikelns yta med en karakteristisk frekvens, på ungefär samma sätt som varje fonon har en karakteristisk vibrationsfrekvens.

Studiens första författare, Wei-Shun Chang, en postdoktor i Link's lab, och doktorander Fangfang Wen och Man-Nung Su genomförde en rad experiment som avslöjade en direkt koppling mellan resonansfrekvenserna för plasmonerna och fononerna i nanodiskar som hade utsatts för laserpulser.

"Uppvärmning av nanostrukturer med kort ljuspuls lanserar akustiska fononer som är känsligt beroende av strukturens dimensioner, "Länk sa." Tack vare avancerade litografiska tekniker, experimenter kan konstruera plasmoniska nanostrukturer med stor precision. Baserat på våra resultat, det verkar som om plasmoniska nanostrukturer kan vara ett intressant alternativ till konventionella optomekaniska oscillatorer. "

Chang sa att plasmoniksexperter ofta förlitar sig på substrat när man använder elektronstråle litografi för att mönstra plasmoniska strukturer. Till exempel, guld nanodiskar som de som används i experimenten kommer inte att hålla sig till glasskivor. Men om ett tunt underlag av titan eller krom läggs till glaset, skivorna kommer att fästa och stanna där de är placerade.

"Substratskiktet påverkar de mekaniska egenskaperna hos nanostrukturen, men många frågor återstår om hur det gör detta, "Sade Chang." Våra experiment undersökte hur tjockleken på substratet påverkade egenskaper som vidhäftning och fononisk frekvens. "

Link sa att forskningen var ett samarbete mellan forskargrupper vid Rice och University of Melbourne i Victoria, Australien.

"Wei-Shun och Man-Nung från mitt labb gjorde den ultrasnabba spektroskopin, "Sa Link." Fangfang, som är i Naomi Halas grupp här på Rice, gjorde nanodiskarna. John Sader vid University of Melbourne, och hans postdoc Debadi Chakraborty beräknade de akustiska lägena, och Yue Zhang, en Ris -doktorand från Peter Nordlanders grupp på Rice simulerade de optiska/plasmoniska egenskaperna. Bo Shuang från Landes forskargrupp vid Rice bidrog till analysen av experimentella data. "