Imaginez une seule particule, seulement un dixième du diamètre d'une bactérie, dont les minuscules secousses induisent des vibrations soutenues dans un dispositif mécanique entier environ 50 fois plus grand. En profitant intelligemment de l'interaction entre la lumière, électrons à la surface des métaux, et la chaleur, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont pour la première fois créé un oscillateur plasmomécanique (PMO), ainsi nommé parce qu'il couple étroitement les plasmons - les oscillations collectives des électrons à la surface d'une nanoparticule métallique - aux vibrations mécaniques du dispositif beaucoup plus grand dans lequel il est intégré.

L'ensemble du système, pas plus gros qu'un globule rouge, a une myriade d'applications technologiques. Il offre de nouvelles façons de miniaturiser les oscillateurs mécaniques, améliorer les systèmes de communication qui dépendent de la modulation de la lumière, amplifient considérablement les signaux mécaniques et électriques extrêmement faibles et créent des capteurs extrêmement sensibles pour les minuscules mouvements des nanoparticules.

Les chercheurs du NIST, Brian Roxworthy et Vladimir Aksyuk, ont décrit leurs travaux dans un récent numéro de Optique .

Le dispositif est constitué d'une nanoparticule d'or, environ 100 nanomètres de diamètre, encastré dans un petit porte-à-faux - un plongeoir miniature - en nitrure de silicium. Un entrefer est pris en sandwich entre ces composants et une plaque d'or sous-jacente; la largeur de l'espace est contrôlée par un actionneur électrostatique, un mince film d'or qui se trouve au sommet du porte-à-faux et se plie vers la plaque lorsqu'une tension est appliquée. La nanoparticule agit comme une structure plasmonique unique qui a un effet naturel, ou résonnant, fréquence qui varie avec la taille de l'écart, tout comme le fait d'accorder une corde de guitare change la fréquence à laquelle la corde résonne.

Lorsqu'une source lumineuse, dans ce cas la lumière laser, brille sur le système, il fait osciller les électrons du résonateur, augmenter la température du résonateur. Cela ouvre la voie à un échange complexe entre la lumière, chaleur et vibrations mécaniques dans le PMO, dotant le système de plusieurs propriétés clés.

En appliquant un petit, tension continue à l'actionneur électrostatique qui ferme l'espace, Roxworthy et Aksyuk ont ​​modifié la fréquence optique à laquelle le résonateur vibre et l'intensité de la lumière laser réfléchie par le système. Un tel couplage optomécanique est hautement souhaitable car il permet de moduler et de contrôler le flux de lumière sur les puces de silicium et de façonner la propagation des faisceaux lumineux se déplaçant dans l'espace libre.

Une deuxième propriété concerne la chaleur générée par le résonateur lorsqu'il absorbe la lumière laser. La chaleur provoque l'expansion de l'actionneur à film d'or mince. L'expansion réduit l'écart, diminuant la fréquence à laquelle le résonateur embarqué vibre. Inversement, quand la température baisse, l'actionneur se contracte, l'élargissement de l'écart et l'augmentation de la fréquence du résonateur.

Surtout, la force exercée par l'actionneur pousse toujours le porte-à-faux dans la même direction dans laquelle le porte-à-faux se déplace déjà. Si la lumière laser incidente est suffisamment puissante, ces coups font subir au cantilever des oscillations auto-entretenues avec des amplitudes des milliers de fois plus grandes que les oscillations de l'appareil en raison de la vibration de ses propres atomes à température ambiante.

"C'est la première fois qu'un seul résonateur plasmonique de dimensions inférieures à la lumière visible produit de telles oscillations auto-entretenues d'un dispositif mécanique, " dit Roxworthy.

L'équipe a également démontré pour la première fois que si l'actionneur électrostatique fournit une petite force mécanique au PMO qui varie dans le temps pendant que le système subit ces oscillations auto-entretenues, le PMO peut se verrouiller sur ce minuscule signal variable et l'amplifier considérablement. Les chercheurs ont montré que leur appareil peut amplifier un signal faible d'un système voisin même lorsque l'amplitude de ce signal est aussi petite que dix billions de mètre. Cette capacité pourrait se traduire par de vastes améliorations dans la détection de petits signaux oscillants, dit Roxworthy.