Les scientifiques de l'Université Rice ont découvert qu'ils pouvaient modifier sélectivement les fréquences de résonance (graphique) des nanodisques d'or en les regroupant avec un placement et un espacement légèrement différents. Crédit :C. Yi/Université Rice
Comme un diapason frappé avec un maillet, de minuscules nanodisques d'or peuvent vibrer à des fréquences de résonance lorsqu'ils sont frappés par la lumière. Dans de nouvelles recherches, Des chercheurs de l'Université Rice ont montré qu'ils pouvaient modifier sélectivement ces fréquences vibratoires en rassemblant des nanodisques de différentes tailles en groupes.
"Dans l'analogie du diapason, ce serait comme si on pouvait modifier les sons de plusieurs fourchettes en les rapprochant, " a déclaré le nanoscientifique de Rice Stephan Link, le chercheur principal sur une étude de cette semaine Actes de l'Académie nationale des sciences . "Mais à l'échelle nanométrique, nous n'entendons pas de décalage tonal; nous voyons plutôt un petit changement de couleur. Nous avons montré qu'en regroupant des nanodisques, nous pouvons déplacer leur résonance acoustique de manière ordonnée et prévisible, ce qui pourrait être utile en optomécanique."
L'optomécanique est une branche fusionnée de la physique, science des matériaux et nanophotonique qui se concentre sur les interactions entre la lumière et les dispositifs mécaniques. Les systèmes optomécaniques sont utilisés dans les télécommunications, microscopie, l'informatique quantique et les capteurs, y compris les interféromètres laser qui ont détecté les premières ondes de gravité en 2016.
L'associé de recherche postdoctorale de Rice, Chongyue Yi, et ses collègues du laboratoire de Link et le groupe de recherche de la pionnière de la nanophotonique de Rice, Naomi Halas, ont créé et testé plus d'une douzaine de groupes d'échantillons de nanodisques en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons. Chaque groupe de minuscules disques d'or reposait sur une surface plane appelée substrat, qui était tantôt du verre ordinaire et tantôt de l'oxyde d'aluminium. Oui, le premier auteur de l'étude, supervisé des tests sur des nanodisques allant de 78 à 178 nanomètres de diamètre, qui ont été configurés dans des modèles contenant de deux à 12 disques.
Yi a utilisé deux ensembles de faisceaux laser pour tester la résonance des groupes. Un laser à impulsions a été utilisé pour frapper les disques, qui a ajouté une explosion d'énergie analogue au maillet frappant le diapason. L'impulsion lumineuse a fourni une bouffée de chaleur presque instantanée, ce qui a provoqué l'expansion et la contraction très rapide des disques métalliques, plusieurs milliards de fois par seconde. Un deuxième faisceau laser a été utilisé pour sonder ces vibrations en détectant de minuscules changements de couleur dans un microscope. La couleur était due aux plasmons de surface, oscillations cohérentes des électrons de la bande de conduction, qui a connu des fluctuations d'intensité avec la fréquence ou la vitesse à laquelle les disques se dilatent et se contractent.
Chongyue Yi de l'Université Rice. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les expériences de Link et Yi ont montré que la fréquence de résonance des disques plus petits se déplaçait d'environ 20 % lorsqu'ils étaient placés à proximité de disques plus grands. En collaboration avec des théoriciens de Rice et de l'Université de Melbourne, les chercheurs ont déterminé que les vibrations acoustiques des particules plus grosses traversaient le substrat pour modifier les résonances des particules plus petites. Pour tester cette explication, Yi a mené d'autres expériences pour montrer qu'il pouvait modifier de manière prévisible les fréquences de vibration de ses échantillons en faisant varier leur taille et leur distance ainsi que les surfaces auxquelles ils étaient attachés.
"Cela dépend vraiment du substrat que nous utilisons, " dit Yi. " Avec du verre, le changement de fréquence est plus important qu'avec l'oxyde d'aluminium. Le verre est plus doux. Si le matériau est plus rigide, il est plus difficile de le faire vibrer."
Link a déclaré que la recherche indique une nouvelle façon pour les ingénieurs de convertir l'énergie lumineuse en énergie mécanique et vice versa à l'échelle nanométrique.
"Cela nous donne un nouveau bouton pour un réglage précis de la lumière émise par les nanostructures métalliques, " il a dit. " Il ouvre la porte à de nouvelles applications dans les communications sécurisées, la détection et plus encore."
