Gouden nanostembanden

Nieuws | de redactie

14 juni 2013 | AMOLF-onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om met licht ultrakleine verplaatsingen te meten. Een structuur die sterk lijkt op stembanden, maar dan duizend keer kleiner, veroorzaakt een trilling die met zeer hoge gevoeligheid kan worden gemeten.

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) zijn er door licht op te sluiten in een trilholte van slecht twintig nanometer breed, er in geslaagd mechanische beweging te detecteren die kleiner zijn dan een atoom.

Stembanden op nanoformaat

Om zulke trillingen te meten, maakten de onderzoekers een structuur die lijkt op menselijke stembanden, maar dan op nanoformaat. Twee langwerpige ‘bruggen’  gemaakt van met goud bedekt siliciumnitride hebben een lengte van 20 micrometer en een dikte van 120 nanometer. Zoals het menselijke stemgeluid door luchttrillingen tussen de beide stembanden, zo veroorzaken ook deze nanostembanden een trilling in de intensiteit van het licht tussen de bruggen.

Door de lichttrillingen nauwkeurig te detecteren, kunnen de onderzoekers de mechanische trillingen in de bruggen met zeer hoge gevoeligheid meten.  Normaal gesproken kan licht niet worden opgesloten op lengteschalen kleiner dan zo’n 200 nanometer. De onderzoekers omzeilden dit probleem door het licht om te zetten in plasmonen: een bijzonder soort lichtgolven dat zich voortplant aan het oppervlak van een metaal.

De massa van moleculen bepalen

Het bijzondere aan de nanostembanden is dat het de onderzoekers in staat stelt plasmonen te gebruiken om de mechanische beweging van de structuur te meten. Omdat de plasmonen op nanoschaal zijn opgesloten, zijn zij zeer gevoelig voor de allerkleinste trillingen. Daardoor kunnen de natuurkundigen de amplitude van de intrinsieke thermische bewegingen van de nanotrilholte bepalen. Die zijn slechts 10 picometer groot – kleiner dan een atoom.

Met dit resultaat demonstreren de onderzoekers voor het eerst de koppeling tussen plasmonen en mechanische beweging. Ze laten tevens zien dat de beweging zelf kan worden beïnvloed door de lichtintensiteit te variëren. “Dit systeem kan onder meer toepassing vinden in ultra-gevoelige sensoren”, zegt  prof.dr. Albert Polman, werkgroepleider en directeur van AMOLF.  “Door de extreem kleine afmetingen kunnen deze sensoren trillingen met zeer hoge frequenties (GHz) detecteren. We kunnen de sensoren bijvoorbeeld gebruiken om de massa van moleculen te bepalen.”