Licht meet de minuscule beweging van nanostembanden
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om met licht ultrakleine verplaatsingen te meten. Door licht op te sluiten in een trilholte van slechts twintig nanometer breed, slaagden zij erin mechanische bewegingen te detecteren die kleiner zijn dan de afmeting van een atoom. Hun onderzoek verscheen op 11 juni 2013 in het tijdschrift Nano Letters.
Om minuscule trillingen te meten, maakten de onderzoekers een structuur die sterk lijkt op menselijke stembanden, maar dan duizend keer kleiner. Ze fabriceerden twee langwerpige 'bruggen' van met goud bedekt siliciumnitride. De bruggen hebben een lengte van 20 micrometer en een dikte van 120 nanometer. Ze zijn gescheiden door een langwerpige spleet van slechts 20 nanometer breed. In deze spleet zit licht opgeslagen.
Zoals het menselijke stemgeluid wordt opgewekt door luchttrillingen tussen de trillende stembanden, zo veroorzaken de nanostembanden een trilling in de intensiteit van het licht tussen de bruggen. Door de lichttrillingen nauwkeurig te detecteren, kunnen de onderzoekers de mechanische trillingen in de bruggen met zeer hoge gevoeligheid meten.
Golvend licht
Normaal gesproken kan licht niet worden opgesloten op lengteschalen kleiner dan zo'n 200 nanometer. De onderzoekers omzeilden dit probleem door het licht om te zetten in plasmonen: een bijzonder soort lichtgolven dat zich voortplant aan het oppervlak van een metaal.
Het bijzondere aan de nanostembanden is dat het de onderzoekers in staat stelt plasmonen te gebruiken om de mechanische beweging van de structuur te meten. Omdat de plasmonen op nanoschaal zijn opgesloten, zijn zij zeer gevoelig voor de allerkleinste trillingen. Daardoor kunnen de natuurkundigen de amplitude van de intrinsieke thermische bewegingen van de nanotrilholte bepalen. Die zijn slechts 10 picometer groot – kleiner dan een atoom.
Met dit resultaat demonstreren de onderzoekers voor het eerst de koppeling tussen plasmonen en mechanische beweging. Ze laten tevens zien dat de beweging zelf kan worden beïnvloed door de lichtintensiteit te variëren. "Dit systeem kan onder meer toepassing vinden in ultra-gevoelige sensoren", zegt prof.dr. Albert Polman, werkgroepleider en directeur van AMOLF. "Door de extreem kleine afmetingen kunnen deze sensoren trillingen met zeer hoge frequenties (GHz) detecteren. We kunnen de sensoren bijvoorbeeld gebruiken om de massa van moleculen te bepalen".
Meer informatie
Rutger Thijssen, Ewold Verhagen, Tobias J. Kippenberg & Albert Polman
Plasmon nanomechanical coupling for nanoscale transduction, Nano Letters (2013)
Contact
Albert Polman, +31(0)20 754 74 02.
Homepage