Новый метод не только обеспечивает более точные измерения, но также позволяет ученым точно настраивать частоту захваченного света, тонко изменяя форму самого резонатора.
Визуализация моделей вибрации поможет ученым усовершенствовать сверхчувствительные оптические датчики для обнаружения биомолекул и даже отдельных атомов. Возможность точной настройки также откроет дверь для создания оптических резонаторов с идентичными резонансами, что сейчас невозможно достичь во время производства, но необходимо для таких приложений, как квантовая обработка информации с помощью одиночных фотонов.
Микромасштабные оптические резонаторы похожи на крошечные колокольчики, которые звенят не звуком, а светом. Как и в случае с колокольчиком, частота, с которой "звенит" оптический резонатор, определяется его размером и формой, поэтому он усиливает и поддерживает одни частоты света и ослабляет другие.
Устройства настолько крошечные, что свет фактически выходит за пределы их внешних поверхностей, где они формируют «ближние поля»."Там, где эти вибрирующие ближние поля наиболее сильны, резонатор сверхчувствителен к изменениям в окружающей среде. Любое возмущение ближнего поля, скажем, случайной молекулой или атомом, будет влиять на свет внутри резонатора заметным образом, почти так же, как прикосновение к звонящему колоколу изменит его тон или громкость или заставит колокол вообще замолчать.
Отображение этих световых паттернов на реальных устройствах поможет ученым сделать их еще более чувствительными.
В настоящее время колебательные профили этих резонаторов измеряются с помощью острых игольчатых зондов.
Проблема с использованием зонда заключается в том, что он сильно нарушает ближние поля, прежде чем он сможет подойти достаточно близко к поверхности для получения изображений с высоким разрешением. Для получения изображения микрорезонатора с высоким разрешением требуется зонд, который может достигать поверхности, не нарушая ближние поля.
К счастью, новый метод сфокусированного ионно-литиевого пучка, разработанный в Центре наномасштабной науки и технологий (CNST) NIST, может сделать именно это.
«Мы составляем схему колебаний, фокусируя ионный пучок в разных местах на поверхности резонатора и отмечая изменение вибрации», — говорит физик CNST Владимир Аксюк. "Если вибрация в этом месте сильная, это сильно влияет на вибрацию.
Если там вибрация слабая, то возмущение не действует."
Сфокусированный ионный пучок инжектирует ионы в резонатор, сделанный из кремния. Это "постукивание" создает крошечные выпуклости и влияет на резонансные свойства конструкции, влияя на образец света, заключенного внутри, вроде того, как производитель колокольчиков может изменить звук колокола, добавив материал и изменив его форму.
Четко сфокусированный ионный пучок по существу дает исследователям возможность редактировать тон резонатора и позволяет настраивать два резонатора так, чтобы они имели одинаковые колебательные качества. Аксюк считает, что используемые в группе ионы лития особенно хорошо подходят для такого рода работ из-за их малой массы.
А пока, однако, он так же поражен результатом, как и все остальные.
«Я просто думаю, что это действительно круто, что мы можем использовать пучок ионов лития для измерения и даже изменения резонансных свойств этих крошечных структур очень тонко», — говорит Аксюк. «Учитывая, что в настоящее время невозможно изготовить идентичные резонаторы или измерить их с большой точностью, я надеюсь, что этот метод будет очень полезен сообществу микро- и нанофотоники."
Цзе Цзоу, бывший приглашенный исследователь NIST, соавтор статьи, описывающей это исследование, интересуется, что резонаторы могут рассказать им о пучках ионов лития.
«В этой статье мы использовали фокусирующий ионный пучок лития для отображения тонких световых полей в микрорезонаторах», — говорит Цзоу. «Но мы также можем использовать микрорезонаторы, чтобы исследовать, как ионы лития взаимодействуют с решеткой кремния резонатора с беспрецедентной чувствительностью — работа, которая может предложить важные идеи для литий-ионных аккумуляторов и полупроводниковой промышленности."