用於局部調製、變頻和放大的電可調諧的等離子體機械振蕩器

設想一個單個粒子，尺寸只有細菌直徑的十分之一，其微小的跳動在整個機械設備中引起的持續振動會放大約50倍。 美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員們通過巧妙利用光、金屬表面上的電子和熱量之間的相互作用，首次創建了一種等離子體機械振蕩器（PMO），之所以取這個名字是因為該器件緊密將等離子體激元 - 金屬納米粒子表面的電子集體振蕩 –耦合到了該器件所嵌入的體積要大得多的裝置的機械振動中。

整個系統不比紅細胞大，具有廣泛的技術應用。 它為機械振蕩器的小型化提供了新方法，改善了依賴於光調製的通信系統，極大地放大了極其微弱的機械和電信號，並為納米粒子的微小運動創建了精巧靈敏的感測器。

圖示為NIST研究人員們開發的第一個等離子體振蕩器（PMO）的示意圖。橙白色橢圓代表局部等離激元振蕩。包含金立方體納米粒子的懸臂處於死點。一系列的白色曲線表示施加到懸臂的電場。右側的數據表明，該設備可以鎖定並極大地放大振蕩頻率接近PMO的微弱信號。 （圖片來源：B. Roxworthy / NIST）

NIST的研究人員Brian Roxworthy和Vladimir Aksyuk在最近一期Optica（「Electrically tunable plasmomechanical oscillators for localized modulation, transduction, and amplification」）上描述了他們的研究成果。

該裝置由一個嵌入微小的懸臂中的直徑約100納米的金納米粒子和一個由氮化硅製成的小型跳板組成。一個空氣間隙形成於這些部件和下面的金板之間；間隙的寬度由一個靜電驅動器控制，該驅動器為一個薄的金膜，其位於懸臂上方，並在施加電壓時向板金彎曲。納米粒子充當單一等離子體結構，該結構具有隨間隙尺寸而變化的自然頻率或諧振頻率，正如吉他弦的調音隨著弦所迴響的頻率改變一樣。

當光源（在這種情況下為激光）照射到系統上時，會導致諧振器中的電子振蕩，從而提高諧振器的溫度。這為光、熱和PMO的機械振動之間的複雜的能量交換做好了準備，這賦予該系統幾個關鍵屬性。

通過向靜電驅動器施加一個小的直流電壓來擠壓縫隙，Roxworthy和Aksyuk改變了諧振器振動的光學頻率和系統反射的激光強度。這種光機械耦合是非常理想的，因為它可以調節和控制硅晶元上的光流，並形成在自由空間中傳播的光束的傳播。

第二個屬性涉及諧振器吸收激光時產生的熱量。熱量導致薄的金膜驅動器膨脹。膨脹縮小了空氣間隙，降低了嵌入式諧振器振動的頻率。相反，當溫度降低時，驅動器收縮，擴大間隙並增加諧振器的頻率。

至關重要的是，驅動器施加的力總是以懸臂已經行進的相同方向對懸臂施加作用力。如果入射激光足夠強大，這些施加的作用力會導致懸臂樑發生自持振蕩，這種振蕩的振幅比室溫下自身原子振動時的振動大幾千倍。

Roxworthy說：「這是尺寸小於可見光的單一等離子體諧振器首次被證明可以產生機械裝置的這種自持振蕩。

該團隊還首次證明，當系統受到自持振蕩時，如果靜電驅動器向PMO提供一個隨時間變化的小機械力， PMO可以鎖定在微小的可變信號上，並將其大倍率地放大。研究人員表明，即使該信號的幅度小至十萬億分之一米，他們的設備也可以放大來自鄰近系統的微弱信號。 Roxworthy說，這種能力可以轉化為檢測小型振蕩信號的巨大改進。

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