Optomechanics, the fields of the interaction between electromagnetic waves and mechanical oscillators, have been investigated for the fundamental investigation of quantum and classical physics and the application of sensor technologies. Plasmomechanical resonators are promising for nanoscale miniaturization of optomechanical systems, leading to improved sensitivity, enhanced power efficiency, and high spatial resolution. Currently, the physical size of plasmomechanical resonators is limited to a micrometer scale. We demonstrated three plasmomechanical platforms: a full three-dimensional wavelength-scale resonator, smallest-possible resonator, and electrically tunable resonator.
First, we focused on the three-dimensional wavelength-scale resonator. The combination of the plasmonic nano-rod antenna and supporting narrow dielectric nano-wall demonstrates both efficient optical excitation and precise detection of the picometer-scale longitudinal mechanical oscillation. Measurement depending on the excitation/detection position, the pump laser power, and the wavelength of light enables analysis of optical control and readout of motion. Optical force induces the longitudinal motion of the plasmomechanical resonator. Increased temperature by the photothermal effects reduced Young's modulus and increased thermoelastic damping, which change the mechanical frequency and quality factor, respectively.
Second, we designed and fabricated the smallest system consisting of the bowtie plasmonic antenna and supporting narrow dielectric pillar of overall size far below the wavelength of light. The transverse motion of the resonator interacts with the gap plasmonic mode. The small optical volume below the diffraction limit and the low effective mass of only a few tens of femtogram of the resonator enhance the plasmomechanical interaction. We thus expect the realization of extensive modulation of the mechanical frequency and cooling/amplification with the photothermal effect.
Third, we demonstrated a plasmomechanical resonator for the electric control of optomechanical effects. A dimer plasmonic antenna integrated on the electrode-deposited nanobeams demonstrates the electrical modulation and tunable transduction between the optical and mechanical resonance modes. We optically measured both electrically actuated longitudinal and transverse oscillation modes. The simulations show the possibilities for controlling the mechanical frequency and quality factor of the transverse resonance mode.
광역학 분야는 물질의 진동과 빛이 상호작용하는 분야로서 양자 및 고전 물리를 포함한 기초적인 연구나 역학적인 변화를 측정하는 센서로서 사용이 되어왔다. 플라즈몬-역학 분야는 플라즈몬 나노안테나를 사용하여 소형화에 큰 이바지를 했다. 기존보다 작아진 크기와 질량으로 인해 적은 파워를 사용하여 좁은 영역 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 총 3가지의 플라즈몬-역학 플랫폼을 선보였다.
첫 플라즈몬-역학 시스템인 3차원적으로 파장 크기의 플라즈몬-역학 공진기에 대해 집중적으로 측정 및 분석을 했다. 플라즈모닉 나노 안테나와 좁은 기둥으로 구성되어 있으며 피코 미터 길이에 해당하는 종 방향으로의 운동을 광학적으로 유도 및 측정을 진행했다. 빛의 위치, 파장, 파워에 따른 플라즈몬-역학 상호작용 제어 및 측정을 통해 분석을 진행했다. 광력은 즉각적으로 종 방향 움직임을 만들었으며, 광열효과는 공진기의 온도를 올려 영계수 증가로 인한 역학적 진동수 감소 및 열 탄성 감쇠를 인한 품위값 인자의 감소를 보여줬다.
두 번째 시스템은 파장 크기에 비해 작은 플라즈몬-역학 시스템으로서 광역학 상호작용을 직접적으로 관찰하고자 했다. 보타이 안테나가 얇은 기둥에 서 있는 형태로서 안테나의 갭 크기가 변하는 횡 방향의 운동과 갭에 존재하는 플라즈모닉 모드와 상호작용을 한다. 회절 한계보다 작은 광학 부피와 수십 펨토 그램의 질량으로 인해 광력에 의한 큰 역학주파수 변조와 광열효과에 의한 냉각 및 증폭을 보여준다.
마지막 시스템은 플라즈몬-역학 공진기를 전기적인 활용에 사용하는 시스템으로서 플라즈몬-역학 플라즈모닉 안테나과 두 갈래의 전극 증착된 나노빔이 결합된 공진기를 사용했다. 전기를 이용하여 광역학 상호작용을 조종하여 종방향 및 횡방향의 운동의 변화를 예상했다. 먼저 전기적으로 유도된 종 및 횡 진동을 광학적으로 측정하였으며, 시뮬레이션을 통해 움직임의 진동수 및 품위값을 전기적으로 바꿀 수 있음을 확인했다.
