納米光機械超構表面實現(xiàn)高質量的光聲振動

光機械系統(tǒng)是一種使用光誘導的熱和電磁、光學力來控制運動或機械振動的能量轉換系統(tǒng)。納米光機械系統(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，在光信號處理、超靈敏機械傳感以及相干聲子量子控制等方面具有廣闊的應用前景。而納米光機械系統(tǒng)的千兆赫茲（GHz）聲學振動在光的全光學操縱、機械模式的量子控制、片上數(shù)據(jù)處理以及光機械傳感等方面發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，光能、熱能和機械能的大量損耗嚴重限制了納米光機械超構表面的研究進展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，廈門大學與汕頭大學的聯(lián)合研究團隊在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李明德教授和廈門大學楊志林教授，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和表面等離激元光子學的研究工作。

在這項研究中，研究者利用亞5納米（sub-5 nm）的尖端支撐納米光機械超構表面（tip-supported nano-optomechanical metasurface，TSNOMS），實現(xiàn)了高質量的5 GHz光聲振動和超快光機械全光學操縱。其物理原理是：采用亞5納米尖端支撐的半懸浮超構表面設計，增強了超構表面的光能輸入，關閉了機械能和熱能輸出損耗的通道，從而顯著提高了超構表面的光機械轉換效率和振蕩質量。多通道降低損耗半懸浮超構表面的設計策略可以推廣到片上納米光機械系統(tǒng)的性能改進中。其應用領域包括納米機械系統(tǒng)的全光學操縱、可重構納米光子器件、光機械傳感以及非線性和自適應光子功能器件等。

該研究將亞5納米TSNOMS設計為一種潛在的高質量光機械諧振器和超快光機械全光學調制器。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最小化。這種設計在確保器件結構穩(wěn)定性的同時，最大限度地減小了襯底與超構表面的接觸面積，為進一步研究TSNOMS的瞬態(tài)光機械性能奠定了基礎。

圖1 TSNOMS的結構和穩(wěn)態(tài)光學測量與模擬

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械超構表面的瞬態(tài)反射光譜如圖2a所示。與硅襯底支撐相比，納米尖端陣列對超構表面的支撐以指數(shù)方式提高了超構表面瞬態(tài)信號振蕩調制能力。隨后，為了清晰地理解瞬態(tài)信號調制性能顯著改善的原因，該研究分別從光能通道、熱能通道和機械能通道三種角度進行了詳細的數(shù)值計算和實驗分析，結果如圖2b至圖2f所示。結果表明，亞5納米尖端支撐的超構表面的設計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 兩種光機械超構表面的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)光學測量以及熱能、機械能模擬結果

光機械超構表面的頻率可調諧性和頻率穩(wěn)定性對于光信號處理、超靈敏光機械傳感和光子功能超構表面的研究來說至關重要，其結構參數(shù)調制實驗與模擬結果如圖3所示。同時，該研究從多方面測試了光機械超構表面的穩(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，結果如圖4所示。

圖3 光機械超構表面的結構參數(shù)調制實驗與模擬

圖4 光機械超構表面的穩(wěn)定性測量

綜上所述，在亞納米級尖端支撐的納米光機械超構表面（TSNOMS）中的紫外（UV）波泵浦下，該研究工作實現(xiàn)了高質量的5 GHz光聲振動和超快光機械全光學操縱。采用亞5納米的尖端支撐半懸浮超構表面的設計，巧妙地增強了超構表面的光能輸入，關閉了超構表面的機械能和熱能輸出損耗的通道，從而顯著提高了超構表面的光機械轉換效率和振蕩質量。與普通硅襯底納米孔陣列相比，該硅納米尖端陣列的品質（Q）因子提高了幾個數(shù)量級。TSNOMS允許使用低成本、大面積反應離子刻蝕（RIE）模板刻蝕方法精確控制任意結構參數(shù)，并且精確調諧樣品的振蕩頻率。同時，該結構可以在80 k至270 K的顯著溫度變化下保持原位循環(huán)穩(wěn)定性，從而在復雜溫度環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定的高性能傳感和瞬態(tài)全光學調制。此外，亞5納米尖端支撐的超構表面的設計策略可以將襯底的能量損耗降低到接近理論極限。該研究成果將推動穩(wěn)態(tài)超構材料朝著可重構的方向發(fā)展，并促進光機械系統(tǒng)進一步納米化與集成化。

審核編輯：劉清