Som en stämgaffel slagen med en klubba, små guld -nanodiskar kan få vibrationer vid resonansfrekvenser när de träffas av ljus. I ny forskning, Forskare från Rice University visade att de selektivt kan ändra dessa vibrationsfrekvenser genom att samla olika stora nanodiskar i grupper.

"I stämgaffelanalogin, det vore som om vi kunde ändra ljudet från flera gafflar genom att föra dem nära varandra, "sa risnanovetaren Stephan Link, ledande forskaren på en studie under veckans Förfaranden från National Academy of Sciences . "Men på nanoskala, vi hör inte ett tonskifte; vi ser istället en liten färgförändring. Vi har visat att genom att gruppera nanodiskar, vi kan flytta deras akustiska resonans på ett ordnat och förutsägbart sätt, vilket kan vara användbart inom optomekanik. "

Optomekanik är en sammanslagen gren av fysik, materialvetenskap och nanofotonik som fokuserar på samspelet mellan ljus och mekaniska enheter. Optomekaniska system används inom telekommunikation, mikroskopi, kvantberäkning och sensorer, inklusive laserinterferometrar som detekterade de första gravitationsvågorna 2016.

Rice postdoktorala forskningsassistent Chongyue Yi och kollegor i Links laboratorium och forskargruppen för Nanofotonics -pionjären Naomi Halas skapade och testade mer än ett dussin provgrupper av nanodiskar med hjälp av elektronstråle litografi. Varje grupp med små guldskivor satt ovanpå en plan yta som kallas ett substrat, som ibland var vanligt glas och ibland aluminiumoxid. Åh, studiens första författare, övervakade tester på nanodiskar i storlek från 78 till 178 nanometer i diameter, som konfigurerades i mönster som innehåller två till 12 diskar.

Yi använde två uppsättningar laserstrålar för att testa gruppernas resonans. En pulslaser användes för att slå på skivorna, som tillförde en energisprängning analog med klubben som träffade stämgaffeln. Ljuspulsen gav ett nästan omedelbart utbrott av värme, vilket fick metallskivorna att expandera och dra ihop sig mycket snabbt, flera miljarder gånger varje sekund. En andra laserstråle användes för att mäta dessa vibrationer genom att detektera små förändringar i deras färg i ett mikroskop. Färgen berodde på ytplasmoner, koherenta svängningar av ledningsbandelektroner, som upplevde intensitetsfluktuationer med frekvensen eller hastigheten vid vilken skivorna expanderade och sammandragits.

Link och Yis experiment visade att resonansfrekvensen för mindre skivor skiftade cirka 20 procent när de placerades nära större skivor. I samarbete med teoretiker vid Rice och University of Melbourne, forskarna bestämde att de akustiska vibrationerna från större partiklar färdades genom substratet för att ändra resonanserna hos mindre partiklar. För att testa denna förklaring, Yi utförde ytterligare experiment för att visa att han förutsägbart kunde ändra vibrationsfrekvenserna för hans prover genom att variera deras storlek och avstånd samt ytorna som de var fästa till.

"Det beror verkligen på vilket substrat vi använder, "Sa Yi." Med glas, frekvensförändringen är större än med aluminiumoxid. Glas är mjukare. Om materialet är hårdare, det är svårare att få det att vibrera. "

Link sa att forskningen pekar på ett nytt sätt för ingenjörer att omvandla ljusenergi till mekanisk energi och vice versa på nanoskala.

"Detta ger oss en ny vred för exakt inställning av ljusutgången från metalliska nanostrukturer, "sa han." Det öppnar dörren för nya applikationer inom säker kommunikation, avkänning och mer. "