Immagina una singola particella, solo un decimo del diametro di un batterio, le cui minuscole oscillazioni inducono vibrazioni sostenute in un intero dispositivo meccanico circa 50 volte più grande. Sfruttando in modo intelligente l'interazione tra la luce, elettroni sulla superficie dei metalli, e calore, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno creato per la prima volta un oscillatore plasmomeccanico (PMO), così chiamato perché accoppia strettamente i plasmoni, le oscillazioni collettive degli elettroni sulla superficie di una nanoparticella metallica, alle vibrazioni meccaniche del dispositivo molto più grande in cui è incorporato.

L'intero sistema, non più grande di un globulo rosso, ha una miriade di applicazioni tecnologiche. Offre nuovi modi per miniaturizzare gli oscillatori meccanici, migliorare i sistemi di comunicazione che dipendono dalla modulazione della luce, amplificano drammaticamente segnali meccanici ed elettrici estremamente deboli e creano sensori squisitamente sensibili per i piccoli movimenti delle nanoparticelle.

I ricercatori del NIST Brian Roxworthy e Vladimir Aksyuk hanno descritto il loro lavoro in un recente numero di ottica .

Il dispositivo è costituito da una nanoparticella d'oro, circa 100 nanometri di diametro, incorporato in un minuscolo cantilever, un trampolino in miniatura, in nitruro di silicio. Un'intercapedine d'aria è racchiusa tra questi componenti e una lamina d'oro sottostante; la larghezza della fessura è controllata da un attuatore elettrostatico, una sottile pellicola d'oro che si trova sopra il cantilever e si piega verso la piastra quando viene applicata una tensione. La nanoparticella agisce come un'unica struttura plasmonica che ha un naturale, o risonante, frequenza che varia con l'ampiezza del gap, proprio come accordare una corda di chitarra cambia la frequenza alla quale la corda riverbera.

Quando una fonte di luce, in questo caso luce laser, brilla sul sistema, fa oscillare gli elettroni nel risonatore, innalzamento della temperatura del risonatore. Questo pone le basi per un complesso scambio tra luce, calore e vibrazioni meccaniche nel PMO, dotare il sistema di diverse proprietà chiave.

Applicando un piccolo, tensione in corrente continua all'attuatore elettrostatico che comprime il traferro chiuso, Roxworthy e Aksyuk hanno alterato la frequenza ottica alla quale vibra il risonatore e l'intensità della luce laser riflessa dal sistema. Tale accoppiamento optomeccanico è altamente desiderabile perché può modulare e controllare il flusso di luce sui chip di silicio e modellare la propagazione dei fasci di luce che viaggiano nello spazio libero.

Una seconda proprietà riguarda il calore generato dal risonatore quando assorbe la luce laser. Il calore provoca l'espansione dell'attuatore a film d'oro sottile. L'espansione riduce il divario, diminuendo la frequenza alla quale vibra il risonatore incorporato. Al contrario, quando la temperatura diminuisce, l'attuatore contrae, allargando il divario e aumentando la frequenza del risonatore.

In modo cruciale, la forza esercitata dall'attuatore spinge sempre il cantilever nella stessa direzione in cui il cantilever sta già viaggiando. Se la luce laser incidente è abbastanza potente, questi calci fanno sì che il cantilever subisca oscillazioni autosufficienti con ampiezze migliaia di volte superiori alle oscillazioni del dispositivo dovute alla vibrazione dei propri atomi a temperatura ambiente.

"Questa è la prima volta che è stato dimostrato che un singolo risonatore plasmonico con dimensioni inferiori alla luce visibile produce tali oscillazioni autosufficienti di un dispositivo meccanico, ", ha detto Roxworthy.

Il team ha anche dimostrato per la prima volta che se l'attuatore elettrostatico fornisce una piccola forza meccanica al PMO che varia nel tempo mentre il sistema subisce queste oscillazioni autosufficienti, il PMO può agganciare quel minuscolo segnale variabile e amplificarlo notevolmente. I ricercatori hanno dimostrato che il loro dispositivo può amplificare un debole segnale da un sistema vicino anche quando l'ampiezza di quel segnale è di appena dieci trilionesimi di metro. Questa capacità potrebbe tradursi in vasti miglioramenti nel rilevamento di piccoli segnali oscillanti, dice Roxworthy.