Illustration schématique d'un montage expérimental avec une plaque d'or hexagonale sur une microfibre et une lumière supercontinuum pulsée délivrée dans la microfibre, avec puissance lumineuse mesurée en sortie (durée d'impulsion 2,6 ns, taux de répétition 5 kHz, longueur d'onde 450 à 2400 nm). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Le mouvement entraîné par la lumière est difficile dans les environnements non liquides, car les objets de petite taille peuvent ressentir une forte adhérence sèche aux surfaces de contact et résister au mouvement. Dans une étude récente, Jinsheng Lu et ses collègues du College of Optical Science and Engineering, Département de génie électrique et informatique, School of Engineering et Institute of Advanced Technology en Chine et à Singapour, développé un système de vide et réalisé une locomotion rotative où une taille micrométrique, plaque métallique hexagonale d'environ 30 nm d'épaisseur tournait autour d'une microfibre. Ils ont alimenté le moteur (plaque-fibre) à l'aide d'une lumière pulsée, qui était guidé sur la fibre par une onde de Lamb excitée optiquement. La procédure a permis un moteur à géométrie plaque-fibre favorable aux applications optomécaniques en pratique; les résultats de l'étude sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .
La lumière peut induire une rotation mécanique à distance, instantanément et précisément. La rotation micro/nanoscopique induite par la lumière peut générer des applications étendues dans l'actionnement mécanique, pour manipuler des biomolécules et livrer une cargaison. En milieu liquide, les scientifiques ont démontré la rotation entraînée par la lumière en transférant le moment linéaire et angulaire à des objets de petite taille. Dans des environnements non liquides, les forces d'adhérence dominantes empêchent le mouvement d'objets de petite taille. L'adhérence pouvant gêner sérieusement le fonctionnement des moteurs rotatifs actionnés par transfert de quantité de mouvement, liquide est généralement utilisé pour minimiser les impacts indésirables.
Dans le travail present, Lu et al. s'est écarté de cette vue de longue date pour rendre compte d'un moteur actionné par la lumière, où les forces d'adhérence dans l'air permettaient la rotation de manière contre-intuitive. Le processus a été assisté par l'onde de Lamb (une expansion thermo-élastique générée par le chauffage plasmonique de la lumière pulsée absorbée) et la configuration géométrique de la plaque-fibre.
Dans le travail, Lu et al. a démontré un micromiroir actionné par la lumière avec une résolution de balayage de 0,001 degrés. Ils ont contrôlé la vitesse de rotation et la résolution d'arrêt du moteur (plaque d'or sur microfibre) en faisant varier le taux de répétition et l'onde d'impulsion dans la configuration. Les scientifiques ont montré le moteur crawl pas à pas, avec une résolution de locomotion inférieure au nanomètre dans l'expérience. Le travail offre un potentiel d'application sans précédent à intégrer dans des systèmes micro-opto-électromécaniques, mécanique et commandes de précision tout optique dans l'espace extra-atmosphérique, et comme balayage laser pour les systèmes lidar miniatures (systèmes de navigation/cartographie basés sur la lumière).
Rotation actionnée par la lumière d'un moteur dans l'air. Un moteur entraîné par une lumière supercontinue pulsée avec différents taux de répétition dans l'air (film accéléré 10x). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Pour construire les microfibres, Lu et al. utilisé une technique de dessin à la flamme et synthétisé la plaque d'or contenant un monocristal avec une surface lisse atomique, en forme d'hexagones ou de triangles comme indiqué précédemment. Ils ont ensuite suspendu expérimentalement la microfibre optique uniformément étirée dans l'air, ou passer l'aspirateur et y placer la plaque d'or à l'aide d'une sonde. Ils ont utilisé l'imagerie par microscopie électronique à balayage (MEB) pour visualiser le système plaque-microfibre. Lors des mouvements marche/arrêt instantanés d'un laser à onde continue (CW), les scientifiques ont observé un mouvement azimutal subtilement faible de la plaque d'or. Le mouvement était dû à l'expansion/contraction de la plaque d'or, l'effet accidentel a déclenché la livraison pulsée d'une lumière supercontinuum dans la microfibre.
En utilisant ce processus, les scientifiques ont montré comment la plaque d'or tournait autour de la microfibre alors que les impulsions lumineuses étaient guidées dans la configuration où les forces de Van der Waals étaient responsables de l'adhérence étroite de la plaque à la microfibre. Incidemment, puisque la séparation entre la plaque d'or et la microfibre était si petite, les forces de Van der Waals sont devenues dominantes. Lorsque les scientifiques ont mené la même expérience dans un liquide, les forces d'adhérence sont devenues plus petites, dans ce cas la plaque d'or s'est éloignée de la microfibre et a cessé de tourner, montrant la nécessité des forces d'adhérence pour le mouvement dans cette configuration.
A GAUCHE :Rotation actionnée par la lumière d'un moteur dans l'air et le vide. (A) Schéma de configuration expérimentale montrant qu'une lumière supercontinue pulsée (durée d'impulsion, 2,6 ns ; taux de répétition, 5kHz ; longueur d'onde, 450 à 2400 nm) est délivrée dans une microfibre et la puissance lumineuse est mesurée par un wattmètre à l'extrémité de sortie. La microfibre est suspendue dans l'air ou sous vide, et la plaque d'or est posée dessus puis tourne autour d'elle en raison de l'actionnement de la lumière pulsée. (B) Micrographie électronique à balayage en fausses couleurs d'une plaque d'or (longueur de côté, 11 µm; épaisseur, 30 nm) sous une microfibre de rayon 880 nm. A noter que le système plaque-microfibre est placé sur un substrat de silicium après des expériences de rotation. (C) Séquençage des images de microscopie optique de la plaque d'or tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de la microfibre dans l'air (échantillon A, 5kHz). La puissance lumineuse moyenne mesurée est de 0,6 mW. (D) Séquençage des images SEM d'une plaque d'or tournant dans le sens des aiguilles d'une montre (longueur de côté, 10,5 µm; longueur de côté court, 3,7 µm; épaisseur, 30 nm) autour d'une microfibre (rayon, 2 µm) sous vide. La puissance lumineuse moyenne mesurée est de 1,5 mW. Les flèches en (C) et (D) représentent la direction de propagation de la lumière. Les cercles gris et les lignes jaunes ci-dessous (C) et (D) désignent la microfibre et la plaque, respectivement. Les flèches courbes rouges indiquent le sens de rotation de la plaque. DROITE :Relation entre la vitesse de rotation et le taux de répétition. (A) Largeur effective (Weff) de la plaque obtenue à partir de chaque image de vidéos expérimentales (échantillon A, 1kHz). (B) Transformation de Fourier de la largeur efficace pour obtenir sa fréquence de variation (c'est-à-dire, vitesse de rotation du plateau). (C) La vitesse de rotation du moteur actionnée par la lumière augmente linéairement avec le taux de répétition des impulsions lumineuses, et différents échantillons donnent des résultats similaires. La puissance de chaque impulsion lumineuse reste la même lorsque le taux de répétition est modifié. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Le moteur fonctionnait aussi sous vide, où la pression du gaz était d'environ neuf ordres de grandeur inférieure à celle de l'air. La vitesse de rotation était linéairement proportionnelle au taux de répétition des impulsions lumineuses et augmentait linéairement, pour montrer qu'une seule impulsion lumineuse pouvait faire tourner le moteur à un angle extrêmement fin. Lu et al. utilisé un générateur de forme d'onde pour produire un signal qui pourrait déclencher la source lumineuse pour émettre un nombre spécifique d'impulsions et calculé l'angle entre la microfibre et la plaque en utilisant la méthode de projection. Chaque impulsion lumineuse actionnait le moteur pour qu'il tourne à un angle constant. Les scientifiques ont confirmé ce résultat avec d'autres expériences.
Les scientifiques ont exclu les forces optiques comme force motrice pendant la rotation, puisque l'utilisation de sources laser CW de différentes longueurs d'onde n'a provoqué aucune rotation; seule une source de lumière pulsée avec une seule longueur d'onde (1064 nm) pouvait entraîner le moteur à tourner. Indiquant que les impulsions ont joué un rôle essentiel pour générer du mouvement. Des études antérieures avaient également montré que la lumière pulsée pouvait exciter des phonons cohérents pour induire l'expansion et la contraction du réseau, pour propager des ondes acoustiques induites par la lumière pour de nombreuses applications pratiques en optofluidique et en bio-imagerie.
À GAUCHE :Un moteur rotatif pas à pas. (A) Schéma montrant qu'un nombre spécifique (n) d'impulsions lumineuses sont émises à un taux de répétition de 1 kHz lorsque la source lumineuse détecte un front positif sur chaque entrée de déclenchement. Le signal de déclenchement électrique de 1 Hz est généré par un générateur de forme d'onde. (B) Angle de pas du moteur augmentant linéairement avec le nombre d'impulsions lumineuses (n) pour l'une des entrées de déclenchement. Le moteur tourne d'environ 0,1° pour chaque impulsion lumineuse. (C) Rotation pas à pas du moteur lorsque les nombres d'impulsions lumineuses (n) sont 500 et 200. DROITE :Un exemple d'application, démonstration d'un micromiroir pour le balayage laser. (A) Représentation schématique d'une plaque rotative utilisée comme micromiroir pour dévier le faisceau lumineux. Le faisceau réfléchi tourne de 2θ lorsque la plaque tourne de θ. La distance entre la plaque et l'écran blanc en champ lointain est de L (6,4 cm). La relation entre la position du spot laser sur l'écran blanc (y) et l'angle de rotation de la lumière réfléchie (2θ) est y =L × tan(2θ). (B) Séquençage d'images optiques du spot laser (dont le centre est marqué de cercles rouges) sur l'écran dans le champ lointain. (C) Position mesurée expérimentalement et théoriquement attendue du point laser sur l'écran blanc. La vitesse de rotation du plateau, actionné par des impulsions lumineuses à une fréquence de répétition de 5 kHz dans l'expérience, est de 0,95 tr/min (0,1 rad/s). La relation préconçue entre y et t est y =L × tan(2ωt + θ0) =6,4tan(0,2t + θ0). θ0 est l'angle initial. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Les présents résultats ont été spécifiquement observés puisque Lu et al. généré une onde de Lamb induite par la lumière pulsée sur la fine plaque d'or placée à la surface de la microfibre, pour déplacer la plaque sur la surface en microfibre. Ils ont éclairé le phénomène en expliquant que d'abord, lorsqu'un laser pulsé est focalisé sur une ligne à la surface d'un film absorbant la lumière, des ondes acoustiques de surface connues sous le nom d'ondes de Rayleigh peuvent être générées. La lumière pulsée est ensuite absorbée par le film pour chauffer localement la surface, provoquant une expansion thermo-élastique pour générer des ondes acoustiques de surface qui peuvent nettoyer les particules adhésives sur la surface. L'onde de Rayleigh et l'onde de Lamb ont des modèles de mouvement similaires, donc, par exemple, lorsque l'épaisseur d'un film/plaque est inférieure à la longueur d'onde d'une onde de Rayleigh, l'onde de Rayleigh passera progressivement à une onde de Lamb.
Les applications pratiques du moteur à géométrie plaque-fibre démontrent un micromiroir rotatif actionné par la lumière en laboratoire. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau8271
Pour plus d'informations sur le mécanisme, les scientifiques ont réalisé des simulations thermiques et élastiques couplées par éléments finis. Les résultats ont confirmé les résultats expérimentaux et ont indiqué que la direction de propagation de l'onde de Lamb générée dans le système plaque-microfibre était indépendante de la direction de propagation de la lumière dans la microfibre.
Lu et al. proposer d'utiliser le moteur nanométrique ainsi développé dans des domaines variés dont les systèmes micro-opto-électromécaniques dans l'espace, lors de la conversion d'énergie et dans la mécanique de haute précision sous vide. Le plateau tournant peut également être utilisé comme un micromiroir à balayage pour dévier un faisceau laser comme le montre l'étude, pour le balayage laser dans des systèmes lidar miniatures pour cartographier le monde en 3D ou comme systèmes d'affichage laser et modulation/commutation optique pour les microsystèmes intégrés. La nouvelle découverte de la locomotion actionnée par la lumière peut ouvrir une nouvelle ère de conduite et de manipulation optiques à la résolution inférieure au nanomètre de la locomotion pour un mouvement contrôlé. Les travaux permettront aux physiciens et aux scientifiques des matériaux d'explorer le nouveau paysage de la nanomanipulation optique dans des environnements qui nécessitent un nouveau paradigme, au-delà de la fonction liquide existante.
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