Свет стал топливом для наномашины

Люди давно научились превращать солнечную энергию в электрическую. Однако силу Солнца можно использовать и напрямую, что доказала команда исследователей из Йельского и Вашингтонского университетов. Они создали работающее исключительно на световом «топливе» наноустройство -- кремниевый мостик, который вибрирует при пропускании через него лазерного луча. Правда, и само устройство и амплитуда вибраций очень маленькие. Однако, по мнению ученых, созданный ими агрегат в будущем может стать компонентом различных наномашин и наноприборов.

[v1]

«Когда мы говорим о наномашинах, мы не должны думать, что они двигаются, как наши руки или какие-то привычные приборы, -- комментирует работу доцент Йельской школы инженерных и прикладных наук (Yale's School of Engineering & Applied Science) Хон Тан (Hong Tang), -- так как они маленькие, то и движения тоже должны быть маленькими».

Как создать машинку на свету

Создать такой крохотный прибор было довольно сложно: исследователям пришлось использовать целый комплекс тонких методов. Они взяли двухслойную подложку -- слой кремния на слое оксида кремния. Сначала истончили слой кремния до 110 нанометров. Затем из этого слоя «вырезали» гантелеподобную структуру (на рисунке) методами электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением. Узкий тоненький мостик, собственно, и стал основной частью прибора – волноводом и резонатором одновременно. Утолщения на его концах служили «световыми воронками», соединяющими обычный оптоволоконный волновод с «наномостиком»: одна «вливала» свет в узенький мостик, а другая выводила.

Чтобы избежать взаимодействия электромагнитного поля мостика с подложкой, необходимо было создать между ними зазор. Для этого ученые вытравливали под мостиком канавку глубиной от 300 до 600 нанометров. Травитель, который они использовали, разрушает только оксид, не трогая при этом кремний. Готовое устройство поместили в вакуумную камеру (10^-9 атм).

Через созданную оптическую цепь пропустили световой пучок от инфракрасного диодного лазера (вроде того, что используется в лазерной указке) с изменяемой длиной волны. Проходящий через мостик-резонатор свет затем проходил через зондирующий лазерный луч.

Почему задрожал наномостик

Собственно механическая сила света бывает двух видов. Первая, достаточно понятная, давление: лучи, падая на плоскость, давят на нее. Эта сила направлена вдоль луча: именно она  двигала космические парусники, описанные Артуром Кларком в его фантастическом рассказе «Солнечный ветер». Ученые даже всерьез задумывались над созданием таких парусников. Однако давление света оказалось настолько маленьким, что придумать под него паруса для космических кораблей не получается. Так что в космосе солнечный ветер пока создает только проблемы. Зато мелкие частицы с помощью этой силы двигать уже научились.

[v3]

Но существует еще и поперечная градиентная сила света. Она возникает, когда световая волна падает на предмет, диаметр сечения которого меньше ее длины, из-за поперечного градиента плотности электромагнитного поля света. Именно этот принцип используется в так называемом оптическом пинцете. Применение этой силы не требует отражающих поверхностей, поэтому она наиболее перспективна для использования в оптомеханических наноустройствах. Однако поперечная градиентная сила света тоже очень мала – именно поэтому до сих пор ее ни разу не наблюдали. Но созданный йельскими и вашингтонскими инженерами наномостик оказался достаточно тонок для того, чтобы поддаться ее воздействию.

[v2]

Колебания наномостика были зафиксированы при частоте примерно 10 МГц – это резонансная частота мостика. Чтобы доказать, что это не термомеханические или броуновские колебания и отделить их от световых, ученые измерили их и вычли из конечного результата.

Многие эксперты предрекают данной технологии большое и светлое будущее. «Благодаря этой работе умение использовать свет сильно возросло, -- говорит Наоми Хэлас (Naomi Halas), профессор электроники и компьютерной инженерии и химии из университета Райс в Хьюстоне (Rice University, Houston, TX). -- Раньше прямое использование света было важно для новых исследований в физике и биофизике, но теперь мы можем найти ему применение в настоящих устройствах, кремниевых чипах… Эта технология обещает найти множество технологических применений». Сам профессор Хон Тан говорит, что они придумали «самый простой резонатор, какой вообще можно придумать». По его словам, теперь в наноустройствах не нужно переводить свет в электричество, а можно использовать его напрямую.