Come un diapason colpito da un martello, minuscoli nanodischi d'oro possono essere fatti vibrare a frequenze risonanti quando colpiti dalla luce. In una nuova ricerca, I ricercatori della Rice University hanno dimostrato di poter alterare selettivamente quelle frequenze vibrazionali raccogliendo nanodischi di diverse dimensioni in gruppi.

"Nell'analogia del diapason, sarebbe come se potessimo alterare i suoni di più forchette avvicinandole, ", ha affermato il nanoscienziato di Rice Stephan Link, il ricercatore capo di uno studio in questa settimana Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "Ma su scala nanometrica, non sentiamo uno spostamento tonale; vediamo invece un piccolo cambiamento di colore. Abbiamo dimostrato che raggruppando i nanodischi, possiamo spostare la loro risonanza acustica in modo ordinato e prevedibile, che potrebbe essere utile in optomeccanica."

L'optomeccanica è una branca fusa della fisica, scienza dei materiali e nanofotonica che si concentra sulle interazioni tra luce e dispositivi meccanici. I sistemi optomeccanici sono utilizzati nelle telecomunicazioni, microscopia, informatica quantistica e sensori, compresi gli interferometri laser che hanno rilevato le prime onde gravitazionali nel 2016.

L'associato di ricerca post-dottorato di Rice Chongyue Yi e i colleghi del laboratorio di Link e il gruppo di ricerca del pioniere della nanofotonica di Rice, Naomi Halas, hanno creato e testato più di una dozzina di gruppi di campioni di nanodischi utilizzando la litografia a fascio di elettroni. Ogni gruppo di minuscoli dischi d'oro si trovava su una superficie piana chiamata substrato, che a volte era vetro ordinario e talvolta ossido di alluminio. Yi, il primo autore dello studio, ha supervisionato i test su nanodischi di dimensioni comprese tra 78 e 178 nanometri di diametro, che sono stati configurati in modelli contenenti da due a 12 dischi.

Yi ha utilizzato due serie di raggi laser per testare la risonanza dei gruppi. Un laser a impulsi è stato utilizzato per colpire i dischi, che ha aggiunto un'esplosione di energia analoga al martello che colpisce il diapason. L'impulso luminoso ha fornito un'esplosione di calore quasi istantanea, che ha fatto sì che i dischi di metallo si espandessero e si contraessero molto velocemente, diversi miliardi di volte al secondo. Un secondo raggio laser è stato utilizzato per sondare queste vibrazioni rilevando piccoli cambiamenti nel loro colore in un microscopio. Il colore era dovuto ai plasmoni di superficie, oscillazioni coerenti di elettroni in banda di conduzione, che ha subito fluttuazioni di intensità con la frequenza o la velocità con cui i dischi si sono espansi e contratti.

Gli esperimenti di Link e Yi hanno mostrato che la frequenza di risonanza dei dischi più piccoli si spostava di circa il 20% quando venivano posizionati vicino a dischi più grandi. In collaborazione con i teorici della Rice e dell'Università di Melbourne, i ricercatori hanno determinato che le vibrazioni acustiche delle particelle più grandi viaggiavano attraverso il substrato per modificare le risonanze delle particelle più piccole. Per testare questa spiegazione, Yi ha condotto ulteriori esperimenti per dimostrare che poteva alterare in modo prevedibile le frequenze di vibrazione dei suoi campioni variando le loro dimensioni e distanza, nonché le superfici a cui erano attaccati.

"Dipende davvero da quale substrato stiamo usando, " Yi ha detto. "Con il vetro, la variazione di frequenza è maggiore rispetto all'ossido di alluminio. Il vetro è più morbido. Se il materiale è più rigido, è più difficile farlo vibrare."

Link ha affermato che la ricerca indica un nuovo modo per gli ingegneri di convertire l'energia luminosa in energia meccanica e viceversa su scala nanometrica.

"Questo ci dà una nuova manopola per la regolazione precisa dell'emissione di luce dalle nanostrutture metalliche, " ha detto. "Apre le porte a nuove applicazioni nelle comunicazioni sicure, rilevamento e altro ancora."