纳米光机械超构表面实现高质量的光声振动

光机械系统是一种使用光诱导的热和电磁、光学力来控制运动或机械振动的能量转换系统。纳米光机械系统凭借其固有振荡频率高（频率范围从GHz到THz）、易于集成、重量轻等优势，在光信号处理、超灵敏机械传感以及相干声子量子控制等方面具有广阔的应用前景。而纳米光机械系统的千兆赫兹（GHz）声学振动在光的全光学操纵、机械模式的量子控制、片上数据处理以及光机械传感等方面发挥着不可或缺的作用。然而，光能、热能和机械能的大量损耗严重限制了纳米光机械超构表面的研究进展。

据麦姆斯咨询报道，近日，厦门大学与汕头大学的联合研究团队在Nature Communications发表了以“Gigahertz optoacoustic vibration in Sub-5 nm tip-supported nano-optomechanical metasurface”为主题的论文。该论文通讯作者为汕头大学李明德教授和厦门大学杨志林教授，李明德教授主要从事分子光谱的研究工作，杨志林教授主要从事纳米光学和表面等离激元光子学的研究工作。

在这项研究中，研究者利用亚5纳米（sub-5 nm）的尖端支撑纳米光机械超构表面（tip-supported nano-optomechanical metasurface，TSNOMS），实现了高质量的5 GHz光声振动和超快光机械全光学操纵。其物理原理是：采用亚5纳米尖端支撑的半悬浮超构表面设计，增强了超构表面的光能输入，关闭了机械能和热能输出损耗的通道，从而显著提高了超构表面的光机械转换效率和振荡质量。多通道降低损耗半悬浮超构表面的设计策略可以推广到片上纳米光机械系统的性能改进中。其应用领域包括纳米机械系统的全光学操纵、可重构纳米光子器件、光机械传感以及非线性和自适应光子功能器件等。

该研究将亚5纳米TSNOMS设计为一种潜在的高质量光机械谐振器和超快光机械全光学调制器。TSNOMS凭借其尺寸和形状的优异一致性，使得非均匀增宽效应最小化。这种设计在确保器件结构稳定性的同时，最大限度地减小了衬底与超构表面的接触面积，为进一步研究TSNOMS的瞬态光机械性能奠定了基础。

图1 TSNOMS的结构和稳态光学测量与模拟

在311纳米泵浦激发下，支撑于硅衬底或硅纳米尖端阵列上的光机械超构表面的瞬态反射光谱如图2a所示。与硅衬底支撑相比，纳米尖端阵列对超构表面的支撑以指数方式提高了超构表面瞬态信号振荡调制能力。随后，为了清晰地理解瞬态信号调制性能显著改善的原因，该研究分别从光能通道、热能通道和机械能通道三种角度进行了详细的数值计算和实验分析，结果如图2b至图2f所示。结果表明，亚5纳米尖端支撑的超构表面的设计策略可以将源自衬底的能量损耗降低到接近理论极限。

图2 两种光机械超构表面的瞬态和稳态光学测量以及热能、机械能模拟结果

光机械超构表面的频率可调谐性和频率稳定性对于光信号处理、超灵敏光机械传感和光子功能超构表面的研究来说至关重要，其结构参数调制实验与模拟结果如图3所示。同时，该研究从多方面测试了光机械超构表面的稳定性，包括其低温耐受性、原位循环稳定性以及均匀性，结果如图4所示。

图3 光机械超构表面的结构参数调制实验与模拟

图4 光机械超构表面的稳定性测量

综上所述，在亚纳米级尖端支撑的纳米光机械超构表面（TSNOMS）中的紫外（UV）波泵浦下，该研究工作实现了高质量的5 GHz光声振动和超快光机械全光学操纵。采用亚5纳米的尖端支撑半悬浮超构表面的设计，巧妙地增强了超构表面的光能输入，关闭了超构表面的机械能和热能输出损耗的通道，从而显著提高了超构表面的光机械转换效率和振荡质量。与普通硅衬底纳米孔阵列相比，该硅纳米尖端阵列的品质（Q）因子提高了几个数量级。TSNOMS允许使用低成本、大面积反应离子刻蚀（RIE）模板刻蚀方法精确控制任意结构参数，并且精确调谐样品的振荡频率。同时，该结构可以在80 k至270 K的显著温度变化下保持原位循环稳定性，从而在复杂温度环境中实现稳定的高性能传感和瞬态全光学调制。此外，亚5纳米尖端支撑的超构表面的设计策略可以将衬底的能量损耗降低到接近理论极限。该研究成果将推动稳态超构材料朝着可重构的方向发展，并促进光机械系统进一步纳米化与集成化。

审核编辑：刘清