Эта работа демонстрирует основанный на метаматериале подход к разработке механического генератора с оптическим приводом. По словам исследователей, устройство потенциально может использоваться в качестве нового эталона частоты для точного учета времени в GPS, компьютерах, наручных часах и других устройствах. Другие потенциальные приложения, которые могут быть получены из этой платформы на основе метаматериалов, включают высокоточные датчики и квантовые преобразователи. Исследование было опубликовано 10 октября в журнале Nature Photonics.
Исследователи разработали устройство на основе метаматериала, интегрировав крошечные светопоглощающие наноантенны на наномеханические осцилляторы. Исследование проводил Эртугрул Кубукку, профессор наноинженерии и электротехники Калифорнийского университета в Сан-Диего. Работа, которую Кубукку начал в качестве преподавателя в Пенсильванском университете и продолжает в инженерной школе Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, демонстрирует, как эффективные взаимодействия света и материи могут быть использованы для приложений в новых наноразмерных устройствах.Метаматериалы — это искусственные материалы, которые созданы для демонстрации экзотических свойств, не встречающихся в природе.
Например, метаматериалы могут быть разработаны для управления световыми, звуковыми и тепловыми волнами способами, которые обычно невозможно сделать с помощью обычных материалов.Метаматериалы обычно считаются «с потерями», потому что их металлические компоненты очень эффективно поглощают свет. «Свойство метаматериалов с потерями считается помехой в приложениях фотоники и телекоммуникационных системах, где необходимо передавать много энергии.
Мы представляем уникальный подход к метаматериалам, используя преимущества этого свойства с потерями», — сказал Кубукку.Устройство в этом исследовании напоминает крошечный конденсатор размером примерно с четверть, состоящий из двух квадратных пластин размером 500 на 500 микрон. Верхняя пластина представляет собой двухслойную мембрану из золота / нитрида кремния, содержащую массив крестообразных щелей — наноантенн — вытравленных в слое золота.
Нижняя пластина представляет собой металлический отражатель, который отделен от бислоя золото / нитрид кремния воздушным зазором шириной три микрона.Когда на устройство попадает свет, наноантенны поглощают все входящее излучение света и преобразуют эту оптическую энергию в тепло.
В ответ двухслойный слой золото / нитрид кремния изгибается, потому что золото расширяется больше, чем нитрид кремния при нагревании. Изгиб бислоя изменяет ширину воздушного зазора, отделяющего его от металлического отражателя.
Это изменение расстояния приводит к тому, что бислой поглощает меньше света, и в результате бислой возвращается в исходное положение. Двухслойный слой снова может поглощать весь падающий свет, и цикл повторяется снова и снова.Устройство основано на уникальном гибридном оптическом резонансе, известном как резонанс Фано, который возникает в результате связи между двумя различными оптическими резонансами метаматериала. Оптический резонанс можно настраивать «по желанию» путем приложения напряжения.
Исследователи также отмечают, что, поскольку плазмомеханический метаматериал может эффективно поглощать свет, он может функционировать в условиях широкого оптического резонанса. Это означает, что этот метаматериал потенциально может реагировать на источник света, такой как светодиод, и ему не потребуется мощный лазер для обеспечения энергии.«Используя плазмонные метаматериалы, мы смогли спроектировать и изготовить устройство, которое может использовать свет для усиления или ослабления микроскопических механических движений более мощно, чем другие устройства, демонстрирующие эти эффекты. Даже нелазерный источник света может работать с этим устройством», — сказал он. сказал Хай Чжу, бывший аспирант лаборатории Кубукчу и первый автор исследования.
«Оптические метаматериалы позволяют интегрировать на уровне микросхем такие функции, как фокусировка света, спектральная селективность и управление поляризацией, которые обычно выполняются обычными оптическими компонентами, такими как линзы, оптические фильтры и поляризаторы. Наш конкретный подход, основанный на метаматериалах, может распространить эти эффекты на электромагнитный спектр ", — сказал Фэй И, научный сотрудник, работавший в лаборатории Кубукку.
