Imagine uma única partícula, apenas um décimo do diâmetro de uma bactéria, cujos movimentos minúsculos induzem vibrações sustentadas em todo um dispositivo mecânico cerca de 50 vezes maior. Tirando vantagem inteligente da interação entre a luz, elétrons na superfície dos metais, e calor, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram pela primeira vez um oscilador plasmomecânico (PMO), assim chamado porque acopla firmemente os plasmons - as oscilações coletivas dos elétrons na superfície de uma nanopartícula de metal - às vibrações mecânicas do dispositivo muito maior no qual está embutido.

Todo o sistema, não maior do que um glóbulo vermelho, tem inúmeras aplicações tecnológicas. Ele oferece novas maneiras de miniaturizar osciladores mecânicos, melhorar os sistemas de comunicação que dependem da modulação da luz, amplifica dramaticamente sinais mecânicos e elétricos extremamente fracos e cria sensores extremamente sensíveis para os movimentos minúsculos das nanopartículas.

Os pesquisadores do NIST Brian Roxworthy e Vladimir Aksyuk descreveram seu trabalho em uma edição recente da Optica .

O dispositivo consiste em uma nanopartícula de ouro, cerca de 100 nanômetros de diâmetro, embutido em um pequeno cantilever - um trampolim em miniatura - feito de nitreto de silício. Um espaço de ar fica imprensado entre esses componentes e uma placa de ouro subjacente; a largura da lacuna é controlada por um atuador eletrostático - uma fina película de ouro que fica no topo do cantilever e se curva em direção à placa quando uma tensão é aplicada. A nanopartícula atua como uma única estrutura plasmônica que possui uma estrutura natural, ou ressonante, frequência que varia com o tamanho da lacuna, da mesma forma que afinar uma corda de violão muda a frequência com que a corda reverbera.

Quando uma fonte de luz, neste caso, luz laser, brilha no sistema, faz com que os elétrons no ressonador oscilem, aumentar a temperatura do ressonador. Isso prepara o terreno para um intercâmbio complexo entre a luz, calor e vibrações mecânicas no PMO, dotando o sistema de várias propriedades essenciais.

Ao aplicar um pequeno, tensão de corrente contínua para o atuador eletrostático que aperta a lacuna fechada, Roxworthy e Aksyuk alteraram a frequência óptica na qual o ressonador vibra e a intensidade da luz do laser que o sistema reflete. Tal acoplamento optomecânico é altamente desejável porque pode modular e controlar o fluxo de luz em chips de silício e moldar a propagação de feixes de luz viajando no espaço livre.

Uma segunda propriedade refere-se ao calor gerado pelo ressonador quando ele absorve a luz do laser. O calor faz com que o atuador de filme de ouro fino se expanda. A expansão diminui a lacuna, diminuindo a frequência na qual o ressonador embutido vibra. Por outro lado, quando a temperatura diminui, os contratos do atuador, ampliando a lacuna e aumentando a frequência do ressonador.

Crucialmente, a força exercida pelo atuador sempre chuta o cantilever na mesma direção em que o cantilever já está se movendo. Se a luz laser incidente for poderosa o suficiente, esses chutes fazem com que o cantilever sofra oscilações autossustentáveis ​​com amplitudes milhares de vezes maiores do que as oscilações do dispositivo devido à vibração de seus próprios átomos à temperatura ambiente.

"Esta é a primeira vez que um único ressonador plasmônico com dimensões menores do que a luz visível mostrou produzir tais oscilações autossustentáveis ​​de um dispositivo mecânico, "disse Roxworthy.

A equipe também demonstrou pela primeira vez que se o atuador eletrostático fornecer uma pequena força mecânica ao PMO que varia no tempo enquanto o sistema sofre essas oscilações autossustentáveis, o PMO pode travar esse minúsculo sinal variável e amplificá-lo bastante. Os pesquisadores mostraram que seu dispositivo pode amplificar um sinal fraco de um sistema vizinho, mesmo quando a amplitude do sinal é tão pequena quanto dez trilionésimos de um metro. Essa capacidade pode se traduzir em grandes melhorias na detecção de pequenos sinais oscilantes, Roxworthy diz.