[论文解读] 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 12

一句话总结

本文展示了在纳米尺度等离子体元分子中实现的锁相声子激光，其中电驱动实现了强光机械耦合与自振荡。该系统通过光学反馈实现相干机械振荡，注入锁定增强了对微弱机械刺激的敏感性，从而在纳米机械传感和可重构纳米光子系统方面展现出新能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可重构的纳米尺度系统，集成等离子体、机械与光学响应，实现在纳米尺度的动态调控。
• 探索在亚100 nm受限的单点类等离子体元分子中实现强光机械耦合。
• 演示通过热机械反作用实现的光驱动自振荡（声子激光）及其通过注入锁定的稳定化。
• 通过光学反馈在纳米机械谐振器中实现对微弱机械信号的增强转换。
• 建立未来具备可调非线性光机械响应的智能可重构超材料的构建模块。

提出的方法

• 在悬空膜上制备具有纳米尺度金属缝隙谐振器的单个间隙等离子体元分子。
• 集成电驱动电极以施加电压，动态调节机械与等离子体谐振频率。
• 利用色散与反应性光机械耦合区域，控制光子与声子之间的能量交换。
• 采用光学探测检测机械振荡，并通过注入锁定实现反馈控制。
• 利用热机械反作用启动机械模式的自振荡，从而实现声子激光。
• 通过将自振荡元分子与外部弱机械驱动耦合，实现注入锁定，以增强信号相干性与灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个等离子体元分子是否能在纳米尺度支持强且可调的光机械耦合？
• RQ2 电驱动是否能实现在单一纳米系统中对等离子体与机械谐振频率的动态调控？
• RQ3 是否能通过热机械反作用在纳米机械谐振器中实现光驱动自振荡（声子激光）？
• RQ4 注入锁定是否能稳定并增强声子激光对微弱机械刺激的响应？
• RQ5 该系统是否可作为可重构、多自由度的纳米尺度传感与光学调制平台？

主要发现

• 单个等离子体元分子在机械域表现出强光机械耦合，品质因数超过10^4。
• 电驱动实现了等离子体谐振频率在约100 nm范围内的广泛谱域调谐，证明了动态可重构性。
• 通过热机械反作用实现自振荡，获得约1.5 GHz频率的相干机械振荡。
• 注入锁定成功提升了微弱机械输入的信噪比，展示了更高的灵敏度与相干性。
• 该系统实现了对纳米机械模式的选择性光学转换，实现了高保真度的机械运动读出。
• 多自由度耦合开启了一种新型非线性纳米机械动力学模式，具有在可重构纳米光子器件中应用的潜力。