納米光機(jī)械超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光聲振動(dòng)

光機(jī)械系統(tǒng)是一種使用光誘導(dǎo)的熱和電磁、光學(xué)力來控制運(yùn)動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。納米光機(jī)械系統(tǒng)憑借其固有振蕩頻率高（頻率范圍從GHz到THz）、易于集成、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在光信號(hào)處理、超靈敏機(jī)械傳感以及相干聲子量子控制等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。而納米光機(jī)械系統(tǒng)的千兆赫茲（GHz）聲學(xué)振動(dòng)在光的全光學(xué)操縱、機(jī)械模式的量子控制、片上數(shù)據(jù)處理以及光機(jī)械傳感等方面發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，光能、熱能和機(jī)械能的大量損耗嚴(yán)重限制了納米光機(jī)械超構(gòu)表面的研究進(jìn)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，廈門大學(xué)與汕頭大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了以“Gigahertz optoacoustic vibration in Sub-5?nm tip-supported nano-optomechanical metasurface”為主題的論文。該論文通訊作者為汕頭大學(xué)李明德教授和廈門大學(xué)楊志林教授，李明德教授主要從事分子光譜的研究工作，楊志林教授主要從事納米光學(xué)和表面等離激元光子學(xué)的研究工作。

在這項(xiàng)研究中，研究者利用亞5納米（sub-5 nm）的尖端支撐納米光機(jī)械超構(gòu)表面（tip-supported nano-optomechanical metasurface，TSNOMS），實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的5 GHz光聲振動(dòng)和超快光機(jī)械全光學(xué)操縱。其物理原理是：采用亞5納米尖端支撐的半懸浮超構(gòu)表面設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了超構(gòu)表面的光能輸入，關(guān)閉了機(jī)械能和熱能輸出損耗的通道，從而顯著提高了超構(gòu)表面的光機(jī)械轉(zhuǎn)換效率和振蕩質(zhì)量。多通道降低損耗半懸浮超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)策略可以推廣到片上納米光機(jī)械系統(tǒng)的性能改進(jìn)中。其應(yīng)用領(lǐng)域包括納米機(jī)械系統(tǒng)的全光學(xué)操縱、可重構(gòu)納米光子器件、光機(jī)械傳感以及非線性和自適應(yīng)光子功能器件等。

該研究將亞5納米TSNOMS設(shè)計(jì)為一種潛在的高質(zhì)量光機(jī)械諧振器和超快光機(jī)械全光學(xué)調(diào)制器。TSNOMS憑借其尺寸和形狀的優(yōu)異一致性，使得非均勻增寬效應(yīng)最小化。這種設(shè)計(jì)在確保器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，最大限度地減小了襯底與超構(gòu)表面的接觸面積，為進(jìn)一步研究TSNOMS的瞬態(tài)光機(jī)械性能奠定了基礎(chǔ)。

圖1 TSNOMS的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)光學(xué)測(cè)量與模擬

在311納米泵浦激發(fā)下，支撐于硅襯底或硅納米尖端陣列上的光機(jī)械超構(gòu)表面的瞬態(tài)反射光譜如圖2a所示。與硅襯底支撐相比，納米尖端陣列對(duì)超構(gòu)表面的支撐以指數(shù)方式提高了超構(gòu)表面瞬態(tài)信號(hào)振蕩調(diào)制能力。隨后，為了清晰地理解瞬態(tài)信號(hào)調(diào)制性能顯著改善的原因，該研究分別從光能通道、熱能通道和機(jī)械能通道三種角度進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖2b至圖2f所示。結(jié)果表明，亞5納米尖端支撐的超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)策略可以將源自襯底的能量損耗降低到接近理論極限。

圖2 兩種光機(jī)械超構(gòu)表面的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)光學(xué)測(cè)量以及熱能、機(jī)械能模擬結(jié)果

光機(jī)械超構(gòu)表面的頻率可調(diào)諧性和頻率穩(wěn)定性對(duì)于光信號(hào)處理、超靈敏光機(jī)械傳感和光子功能超構(gòu)表面的研究來說至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果如圖3所示。同時(shí)，該研究從多方面測(cè)試了光機(jī)械超構(gòu)表面的穩(wěn)定性，包括其低溫耐受性、原位循環(huán)穩(wěn)定性以及均勻性，結(jié)果如圖4所示。

圖3 光機(jī)械超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)與模擬

圖4 光機(jī)械超構(gòu)表面的穩(wěn)定性測(cè)量

綜上所述，在亞納米級(jí)尖端支撐的納米光機(jī)械超構(gòu)表面（TSNOMS）中的紫外（UV）波泵浦下，該研究工作實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的5 GHz光聲振動(dòng)和超快光機(jī)械全光學(xué)操縱。采用亞5納米的尖端支撐半懸浮超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)，巧妙地增強(qiáng)了超構(gòu)表面的光能輸入，關(guān)閉了超構(gòu)表面的機(jī)械能和熱能輸出損耗的通道，從而顯著提高了超構(gòu)表面的光機(jī)械轉(zhuǎn)換效率和振蕩質(zhì)量。與普通硅襯底納米孔陣列相比，該硅納米尖端陣列的品質(zhì)（Q）因子提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。TSNOMS允許使用低成本、大面積反應(yīng)離子刻蝕（RIE）模板刻蝕方法精確控制任意結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且精確調(diào)諧樣品的振蕩頻率。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以在80 k至270 K的顯著溫度變化下保持原位循環(huán)穩(wěn)定性，從而在復(fù)雜溫度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高性能傳感和瞬態(tài)全光學(xué)調(diào)制。此外，亞5納米尖端支撐的超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)策略可以將襯底的能量損耗降低到接近理論極限。該研究成果將推動(dòng)穩(wěn)態(tài)超構(gòu)材料朝著可重構(gòu)的方向發(fā)展，并促進(jìn)光機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)一步納米化與集成化。

審核編輯：劉清