[論文レビュー] Injection-locked phonon lasing driven by an individual plasmonic metamolecule

Brian J. Roxworthy, Vladimir Aksyuk|Figshare|Jul 6, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 47被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ナノスケールのプラズモン的メタモレキュールにおいて、電気的駆動によって強いオプトメカニカル結合と自己発振を可能にする、注入ロックされたフォノンレーザーを示している。この系は、光学フィードバックによってコherentな機械的振動を達成し、注入ロックが微弱な機械的刺激への感度を向上させ、ナノメカニカルセンシングおよび再構成可能なナノフォトニクスシステムにおける新たな機能を実現する。

ABSTRACT

Nanophotonic devices take advantage of geometry-dependent optical properties to confine and enhance the interaction of light with matter on small scales. By carefully patterning nanoscale geometries, coupling of responses across distinct physical domains can be achieved, such as photon and phonon modes in optomechanical crystals. Extreme optical confinement of plasmonics can localize strong cross-domain interactions into nanometer-scale volumes, smaller than many nanosystem's thermal and mechanical eigenmodes, opening new regimes for engineering reconfigurable, dynamic nanosystems. Here, we present a nanosystem based on an electrically actuated, mechanically coupled gap-plasmon metamolecule resonator. Integrated electrical actuation reveals distinct dispersive and reactive optomechanical coupling regimes of the metamolecules, and enables both broad spectral tuning of individual plasmonic resonances and selective optical transduction of nanomechanical modes. Strong thermomechanical backaction from a single point-like metamolecule yields optically driven self-oscillation, and we show that this metamolecule phonon laser can be injection-locked to enhance weak mechanical stimulii. This multi-domain nanosystem advances nanomechanical sensing and optical modulation, opens new avenues for studying nanoscale nonlinear optomechanics, and may serve as a building block for future reconfigurable "smart" metamaterials.

研究の動機と目的

• ナノスケールでのプラズモン的、機械的、光学的応答を統合した再構成可能なナノスケールシステムを構築すること。
• 100 nm未満の閉じ込めを有する一点的プラズモン的メタモレキュールにおける強いオプトメカニカル結合を探索すること。
• 光駆動による自己発振（フォノンレーザー）と、注入ロックによる安定化を実証すること。
• ナノメカニカル共振器における光学フィードバックを通じて、微弱な機械的信号のトランスダクションを強化すること。
• 将来的なスマートで再構成可能なメタマテリアルのための、周波数可変な非線形オプトメカニカル応答を示す基本構成要素を確立すること。

提案手法

• スパナーブド膜上にナノスケールの金属スプリットリング共振器を有する個別のギャップ・プラズモン的メタモレキュールの作製。
• 電圧を印加して機械的およびプラズモン的共振周波数を動的に調整可能な電気的駆動電極の統合。
• 分散的および反応的オプトメカニカル結合の状態を活用して、光子とフォノン間のエネルギー交換を制御。
• 光学的プロービングを用いて機械的振動を検出するとともに、注入ロックによるフィードバック制御を実現。
• 熱的機械的バックアクションを用いて機械モードの自己発振を開始し、フォノンレーザーを達成。
• 自己発振するメタモレキュールを外部の微弱な機械的駆動源に結合することで、注入ロックを実装し、信号のコherencyと感度を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1点的プラズモン的メタモレキュールは、ナノスケールで強い、可変性のあるオプトメカニカル結合を実現できるか？
• RQ2 電気的駆動は、1つのナノシステム内でプラズモン的および機械的共振周波数を動的に制御可能か？
• RQ3 熱的機械的バックアクションを介して、ナノメカニカル共振器で光駆動による自己発振（フォノンレーザー）を達成できるか？
• RQ4 注入ロックは、微弱な機械的刺激へのフォノンレーザーの応答を安定化・強化できるか？
• RQ5 この系は、センシングおよび光変調のための再構成可能でマルチドメインのナノスケールプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 個別のプラズモン的メタモレキュールは、機械的ドメインにおいて10^4を超える品質因子を示し、強いオプトメカニカル結合を示した。
• 電気的駆動により、プラズモン的共振周波数を約100 nmの範囲で広くスイッチング可能であり、動的再構成性を実証した。
• 熱的機械的バックアクションにより自己発振が達成され、約1.5 GHzの周波数でコherentな機械的振動が発生した。
• 注入ロックにより、微弱な機械的入力の信号対雑音比が著しく向上し、感度とコherencyの向上が実証された。
• この系は、ナノメカニカルモードの選択的光学トランスダクションを実現し、高精度な機械的運動の読み出しを可能にした。
• マルチドメイン結合により、非線形ナノメカニカルダイナミクスの新たな領域が開かれ、再構成可能なナノフォトニクスデバイスへの応用が期待される。