Imagina una sola partícula, solo una décima parte del diámetro de una bacteria, cuyas minúsculas sacudidas inducen vibraciones sostenidas en todo un dispositivo mecánico unas 50 veces más grande. Aprovechando inteligentemente la interacción entre la luz, electrones en la superficie de los metales, Y calor, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han creado por primera vez un oscilador plasmomecánico (PMO), Se llama así porque acopla estrechamente los plasmones, las oscilaciones colectivas de electrones en la superficie de una nanopartícula de metal, a las vibraciones mecánicas del dispositivo mucho más grande en el que está incrustado.

Todo el sistema, no más grande que un glóbulo rojo, tiene innumerables aplicaciones tecnológicas. Ofrece nuevas formas de miniaturizar osciladores mecánicos, mejorar los sistemas de comunicación que dependen de la modulación de la luz, amplifica dramáticamente señales mecánicas y eléctricas extremadamente débiles y crea sensores exquisitamente sensibles para los pequeños movimientos de las nanopartículas.

Los investigadores del NIST Brian Roxworthy y Vladimir Aksyuk describieron su trabajo en un número reciente de Optica .

El dispositivo consta de una nanopartícula de oro, unos 100 nanómetros de diámetro, incrustado en un diminuto voladizo, un trampolín en miniatura, hecho de nitruro de silicio. Un espacio de aire se encuentra intercalado entre estos componentes y una placa de oro subyacente; el ancho del espacio está controlado por un actuador electrostático, una fina película de oro que se asienta sobre el voladizo y se dobla hacia la placa cuando se aplica voltaje. La nanopartícula actúa como una única estructura plasmónica que tiene un efecto natural, o resonante, frecuencia que varía con el tamaño de la brecha, al igual que la afinación de una cuerda de guitarra cambia la frecuencia a la que la cuerda reverbera.

Cuando una fuente de luz, en este caso luz láser, brilla en el sistema, hace que los electrones en el resonador oscilen, elevando la temperatura del resonador. Esto prepara el escenario para un intercambio complejo entre luz, calor y vibraciones mecánicas en el PMO, dotando al sistema de varias propiedades clave.

Aplicando un pequeño, voltaje de corriente continua al actuador electrostático que aprieta el espacio cerrado, Roxworthy y Aksyuk alteraron la frecuencia óptica a la que vibra el resonador y la intensidad de la luz láser que refleja el sistema. Dicho acoplamiento optomecánico es muy deseable porque puede modular y controlar el flujo de luz en los chips de silicio y dar forma a la propagación de los haces de luz que viajan en el espacio libre.

Una segunda propiedad se relaciona con el calor generado por el resonador cuando absorbe la luz láser. El calor hace que se expanda el actuador de la película fina de oro. La expansión estrecha la brecha, disminuyendo la frecuencia a la que vibra el resonador integrado. En cambio, cuando la temperatura baja, el actuador se contrae, ensanchando la brecha y aumentando la frecuencia del resonador.

Crucialmente, la fuerza ejercida por el actuador siempre golpea el voladizo en la misma dirección en la que ya se está moviendo el voladizo. Si la luz láser incidente es lo suficientemente potente, estas patadas hacen que el voladizo sufra oscilaciones autosostenidas con amplitudes miles de veces mayores que las oscilaciones del dispositivo debido a la vibración de sus propios átomos a temperatura ambiente.

"Esta es la primera vez que se ha demostrado que un solo resonador plasmónico con dimensiones más pequeñas que la luz visible produce tales oscilaciones autosostenidas de un dispositivo mecánico, "dijo Roxworthy.

El equipo también demostró por primera vez que si el actuador electrostático entrega una pequeña fuerza mecánica al PMO que varía en el tiempo mientras el sistema sufre estas oscilaciones autosostenidas, la PMO puede bloquear esa pequeña señal variable y amplificarla en gran medida. Los investigadores demostraron que su dispositivo puede amplificar una señal débil de un sistema vecino incluso cuando la amplitud de esa señal es tan pequeña como diez billonésimas de metro. Esa capacidad podría traducirse en grandes mejoras en la detección de pequeñas señales oscilantes, Dice Roxworthy.