Como un diapasón golpeado con un mazo, Se pueden hacer vibrar diminutos nanodiscos de oro a frecuencias de resonancia cuando son golpeados por la luz. En una nueva investigación, Los investigadores de la Universidad de Rice demostraron que pueden alterar selectivamente esas frecuencias vibratorias reuniendo nanodiscos de diferentes tamaños en grupos.

"En la analogía del diapasón, sería como si pudiéramos alterar los sonidos de varias bifurcaciones acercándolos, "dijo el nanocientífico de Rice Stephan Link, el investigador principal de un estudio de esta semana procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . "Pero a nanoescala, no escuchamos un cambio tonal; en cambio, vemos un pequeño cambio de color. Hemos demostrado que al agrupar nanodiscos, podemos cambiar su resonancia acústica de una manera ordenada y predecible, que podría ser útil en optomecánica ".

La optomecánica es una rama fusionada de la física, ciencia de materiales y nanofotónica que se centra en las interacciones entre la luz y los dispositivos mecánicos. Los sistemas optomecánicos se utilizan en telecomunicaciones, microscopía, sensores y computación cuántica, incluidos los interferómetros láser que detectaron las primeras ondas de gravedad en 2016.

La asociada de investigación postdoctoral de Rice, Chongyue Yi, y sus colegas del laboratorio de Link y el grupo de investigación de la pionera en nanofotónica de Rice, Naomi Halas, crearon y probaron más de una docena de agrupaciones de muestras de nanodiscos utilizando litografía por haz de electrones. Cada grupo de diminutos discos de oro se colocó sobre una superficie plana llamada sustrato, que a veces era vidrio ordinario y, a veces, óxido de aluminio. Yi, el primer autor del estudio, supervisó las pruebas en nanodiscos que varían en tamaño de 78 a 178 nanómetros de diámetro, que se configuraron en patrones que contienen de dos a 12 discos.

Yi usó dos juegos de rayos láser para probar la resonancia de los grupos. Se utilizó un láser de pulso para golpear los discos, lo que añadió una explosión de energía análoga a la del mazo que golpea el diapasón. El pulso de luz proporcionó una explosión de calor casi instantánea, lo que provocó que los discos de metal se expandieran y contrajeran muy rápido, varios miles de millones de veces por segundo. Se utilizó un segundo rayo láser para sondear estas vibraciones detectando pequeños cambios en su color en un microscopio. El color se debió a los plasmones superficiales, oscilaciones coherentes de electrones de la banda de conducción, que experimentaron fluctuaciones de intensidad con la frecuencia o velocidad a la que los discos se expandieron y contrajeron.

Los experimentos de Link y Yi mostraron que la frecuencia de resonancia de los discos más pequeños cambiaba aproximadamente un 20 por ciento cuando se colocaban cerca de discos más grandes. En colaboración con teóricos de Rice y la Universidad de Melbourne, los investigadores determinaron que las vibraciones acústicas de partículas más grandes viajaban a través del sustrato para modificar las resonancias de partículas más pequeñas. Para probar esta explicación, Yi realizó más experimentos para demostrar que podía alterar previsiblemente las frecuencias de vibración de sus muestras variando su tamaño y distancia, así como las superficies a las que estaban unidas.

"Realmente depende del sustrato que estemos usando, "Yi dijo." Con vidrio, el cambio de frecuencia es mayor que con el óxido de aluminio. El vidrio es más blando. Si el material es más rígido, es más difícil hacerlo vibrar ".

Link dijo que la investigación apunta a una nueva forma para que los ingenieros conviertan la energía luminosa en energía mecánica y viceversa a nanoescala.

"Esto nos da una nueva perilla para un ajuste preciso de la salida de luz de nanoestructuras metálicas, ", dijo." Abre la puerta a nuevas aplicaciones en comunicaciones seguras, detección y más ".