新型超穎材料應用前景廣闊:可吸收光線能量產生振蕩

2021-01-15 IntelligentThings

一種光學驅動的機械振蕩器，使用等離子力學材料。

（圖片來源於：加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院）


引言


最近，研究人員設計了一種使用光線改變自身機械性質的設備。它使用等離子力學材料，通過耦合光學和機械共振的獨特機制，從光線中吸收能量產生持續振蕩。


研究簡介


這項研究展示了一種基於新材料的方案，開發了一種光學驅動的機械振蕩器。研究人員稱，該設備可以作為一種新型頻率設備，保持GPS，計算機，手錶和其他設備的時間精準性。這種基於新材料的平臺，還存在其他潛在應用，包括高精度傳感器和量子換能器。研究發表在10月10日的《自然光電》雜誌上。


研究人員將

吸收光線的微小納米天線集成到納米機械振蕩器中，從而構成了這種超穎材料設備。研究由加州大學聖地牙哥分校納米工程和電氣工程專業的教授，Ertugrul Cubukcu 領導。這項研究在 Cubukcu 在賓夕法尼亞大學做教員時就開始了，並且在加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院後繼續開展。它顯示光和物質交互，可應用於新型納米設備。


超穎材料簡介


超穎材料，是一種人工材料，可以展示在自然中尚未發現的特異屬性。例如，超穎材料可以操縱光線、聲音和熱量的波 ， 而完成傳統材料則無法完成的功能。


超穎材料，被普遍認為是「有損的」，因為它們的金屬成分吸收光線十分有效。「超穎材料的有損特徵，在光電應用和通信系統中是一種麻煩因素，在那裡你必須傳輸許多能量。我們展示了一種超穎材料方案，利用了這種有損特性。」Cubukcu 說。


設備的結構


這項研究涉及的設備，類似於一個超級電容，尺寸差不多是它的四分之一，由兩個500微米乘500微米的方盤構成。頂部的盤是雙分子金/氮化矽膜，含有一列十字形的狹縫（納米天線 ） 蝕刻在金層中。頂部的盤是金屬反光片，由三微米寬的空氣間隔與雙分子金/氮化矽薄膜分開。


設備的原理


當光線照射到設備上的時候，納米天線吸收所有來自光線的入射輻射，並且將光線能量轉化成熱量。因為在加熱的時候金比氮化矽的膨脹程度更高，所以作為響應，雙分子金/氮化矽膜發生彎曲。雙分子膜的彎曲，改變了隔離金屬反射片的空氣間隔寬度。這個空間變化，讓雙分子膜吸收更少的光線，導致雙分子膜返回原始位置。雙分子膜可以再次吸收所有的入射光線，並且往復循環以上過程。


設備的優勢


設備依賴於獨特的混合光學共振， 被稱為「Fano共振」，它展現了超穎材料的兩種獨特光學共振之間的耦合。通過應用電壓，可對這種光學共振「任意」調諧。


研究人員同時也指出，因為表面等離子體可以有效地吸收光線，它能在普通的光線共振下運行。這意味著它可以對於例如類似LED的光源做出反應，而不需要強大雷射能量。


Cubukcu 實驗室之前的畢業生，研究的第一作者 Hai Zhu 認為：


「我們能夠使用等離子體超穎材料，設計和製造這種設備，利用光線放大或者抑制微觀機械運動，比其他具有這種效果的設備更加有效。甚至，非雷射光源都可以在這種設備上有效。」


Cubukcu 的博士後研究員 Fei Yi 認為：


「光學超穎材料，在晶片級集成了光線聚焦、光譜選擇性、偏振控制等功能，這些功能一般都在傳統的光學組件例如鏡頭、光學過濾器、偏振器上實現。我們實現了特殊超穎材料方案，通過電磁頻譜拓展這些效果。」


參考資料


【1】http://phys.org/news/2016-10-metamaterial-motion.html

【2】Hai Zhu,Fei Yi, Ertugrul Cubukcu. Plasmonic metamaterial absorber for broadband manipulation of mechanical resonances, Nature Photonics, nature.com/articles/doi:10.1038/nphoton.2016.183


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