Фізика
Технології

Плазмонні наномотори змусили рухатися в поперечному напрямку

Дослідники з Токійського університету навчили наномотори обертатися і рухатися в поперечному напрямку, не змінюючи для цього налаштування лазеру. Замість коригування світлового променя, вчені використали асиметричні наностержні, які змогли привести в рух кварцевий мікроблок навіть за нульового лінійного та кутового моменту світлової хвилі. Такий метод полегшить інтеграцію оптичних технологій, використання яких обмежували складнощі налаштування лазерів, повідомляють фізики у дослідженні, опублікованому в журналі Science Advances.

University of Tokyo / YouTube

Навіщо наномоторам обертатися і рухатися в поперечному напрямку?

Застосування світла як виконавчого механізму для мікромашин має величезний потенціал у напрямку управління наномоторами для мініатюризації та спрощення лабораторій на чипі. Наномотори - це пристрої молекулярних розмірів, які можуть перетворювати енергію, що надходить до них в механічний рух та в майбутньому стати основою більшості пристроїв на кшталт нанороботів. Проте вони мають деякі обмеження: для роботи наномотори вимагають постійного налаштування лазерного променя у різних напрямках, щоб контролювати їхній рух. Це і ускладнює широке впровадження пристроїв з оптичним приводом. Однак у своїй роботі дослідники з Токійського університету навчилися змінювати рух нанопристрою не змінюючи при цьому налаштувань лазеру - з їхнім методом достатньо простої пласкої хвилі.

Що пропонують фізики?

Вчені вирішили звернутися до плазмоніки - технології, яка використовує хвилі електронів, плазмони, які запускаються, коли фотони вдаряються об метал. І оскільки це металева поверхня, то такі хвилі супроводжуються струмом, який тече поверхнею на оптичній частоті. Таким чином, наприклад, можна побудувати інтерфейс, для якого не потрібен резонатор. Також плазмони можуть направляти розсіяне світло у визначеному напрямку за допомогою утворюваних ними локалізованих резонансів, так само як радіочастотні антени направляють випромінювання від електричних ланцюгів.

У своїй роботі вчені використали пари золотих наностержнів різної довжини, які викликали дипольні плазмонні резонанси. Фізики з’ясували, що бічні оптичні сили на них через розсіювання можуть спричиняти контрольований рух кварцового блоку мікрометрового розміру, в який вони вбудовані, долаючи броунівські сили. Розташування таких пар дає змогу управляти наномоторами навіть за межами дифракційної межі світла та викликати не лише лінійні, а й обертальні рухи за нормального падіння лінійно поляризованого світлового променя. Іншими словами, замість налаштування світлового променя, вони використали іншу конструкцію мікроблоків, яка дає змогу розраховувати потрібну оптичну силу.

Як вони зрушили наномотор?

Головний принцип цього методу полягає у різниці фаз коливання частинок через різні резонансні частоти, які вони викликають. Ретельний розрахунок фазової різниці та відстані між наностержнями дає можливість створити конструктивну інтерференцію світла для одного напрямку та деструктивну для іншого, тобто спрямоване бічне розсіювання. Такий плазмонний механізм може приводитися в рух навіть з плоскою хвилею світла з нульовим лінійним і кутовим моментом, де напрямок сили визначається орієнтацією наночастинок, а не напрямком світла. За словами вчених, наномотори такої конструкції можна виготовляти за допомогою імпринтингу, що значно здешевить технологію та дасть змогу більш широко її впроваджувати.