▲共同第一作者： 令狐雙藝、顧兆麒；通訊作者： 谷付星；
論文DOI：10.1038/s41467-020-20683-2 近日，上海理工大學(xué)莊松林院士、顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)的未來光學(xué)實驗室在光力操縱研究領(lǐng)域取得重大突破。谷付星老師帶領(lǐng)的課題組首次從理論到實驗實現(xiàn)了在非液體環(huán)境中，使用等離激元驅(qū)動技術(shù)對金屬納米線進(jìn)行精密操控。課題組使用微納光纖激發(fā)金屬納米線表面等離激元形成駐波結(jié)構(gòu)，使得金屬納米線顯著且不均勻分布的熱膨脹、摩擦和收縮等協(xié)同作用。納米線可以在非液體環(huán)境中克服襯底強(qiáng)大的粘附力，以類似蚯蚓蠕動的方式在微納光纖上運(yùn)動，并具有亞納米級定位精度，低驅(qū)動功率和自平行停放的優(yōu)點。研究成果以《Plasmon-driven nanowire actuators for on-chip manipulation》為題發(fā)表在Nature Communications, 12, 385 (2021).
金屬納米線是下一代光電子集成系統(tǒng)中非常有前景的基本組成元件，但在單片集成實際應(yīng)用中仍然缺少微觀尺度下對金屬納米線的精準(zhǔn)操控方法，這也嚴(yán)重阻礙了金屬納米線在集成器件中的應(yīng)用。這主要是由于在非液體環(huán)境中納米線與基底的粘附力很強(qiáng)（大小通常在微牛量級，微觀尺度下是個較強(qiáng)的作用），該值遠(yuǎn)大于光鑷的光動量產(chǎn)生的力（大小通常在皮牛量級）。使得傳統(tǒng)的光鑷操作手段不適用，且目前實驗常用的使用3維位移臺操控納米線的方式，只能粗略的在橫向向移動納米線?？朔r底對納米線強(qiáng)大粘附力、在非液體環(huán)境下操控納米線仍然是個巨大的挑戰(zhàn)。
在這里，研究人員將微納光纖與金屬納米線相結(jié)合，展現(xiàn)了一種新方法，該方法反利用了非液體環(huán)境中的粘附力實現(xiàn)了對金屬納米線的驅(qū)動。微納光纖導(dǎo)波產(chǎn)生的倏逝場與金屬納米線作用將激起表面等離激元（SPP），SPP產(chǎn)生熱能會使金屬納米線晶格不均勻熱膨脹，當(dāng)所產(chǎn)生的表面聲波（SAW）能量足夠強(qiáng)時，金屬納米線就能克服表面粘附力而移動。
▲圖 1. 等離子驅(qū)動的Au 納米線在二氧化硅微納光纖運(yùn)動示意圖。展示了分別由波長為532 nm和1064 nm的脈沖激光驅(qū)動Au 納米線在懸空微納光纖上的運(yùn)動。其中只有1064 nm的脈沖激光才能有效地激發(fā)Au 納米線中的SPP，從而增強(qiáng)吸收光的熱效應(yīng)，并誘導(dǎo)產(chǎn)生表面聲波驅(qū)動Au 納米線沿二氧化硅微納光纖運(yùn)動。
研究人員提出了一種基于熱膨脹、摩擦和收縮協(xié)同工作的類蚯蚓蠕動運(yùn)動機(jī)制。如圖2a所示，初始階段，1064nm的納秒脈沖激光通入微納光纖，產(chǎn)生的倏逝場與金屬納米線作用將激起SPP，并在端部形成SPP駐波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以在納米線局部增強(qiáng)SSP的場強(qiáng)和由此產(chǎn)生的熱能。這些不均勻分布的熱能會使納米線端部晶格膨脹（圖2b），納米線的前端向下方和前方膨脹，并且該膨脹會以表面聲波形式向整根納米線傳播（圖2d）。下一個階段，納米線開始收縮，微納光纖和納米線之間的摩擦由于間距減少而增強(qiáng)，納米線前端膨脹點將產(chǎn)生遠(yuǎn)強(qiáng)于其余部分的摩擦，使得該點緊緊附著于微納光纖，納米線將以該點為中心收縮（圖2e）。在最后的階段，納米線恢復(fù)原始尺寸，而納米線整體將向前運(yùn)動（圖2f）。整個過程在幾十個納秒下完成，重復(fù)脈沖光的傳播可以實現(xiàn)納米線持續(xù)移動。▲圖 2. 類蚯蚓蠕動運(yùn)動機(jī)制示意圖。a 1064 nm脈沖激光通入微納光纖與金納米線作用的縱斷面電場分布數(shù)值模擬結(jié)果。b 圖a中納米線下表面的熱場分布數(shù)值模擬圖。c d e f 類蚯蚓蠕動運(yùn)動機(jī)制的階段示意圖。
研究人員還發(fā)現(xiàn)納米線在微納光纖上面還具有自平行停放（self-parallel parking）的特點（圖3a和b）。通過對于微光纖軸向具有一定初始傾斜角度的金納米線進(jìn)行了模擬分析，熱源主要分布在納米線的中部和右側(cè)，并且納米線下表面的熱功率密度大于上表面。這種不均勻的熱量分布將導(dǎo)致納米線順時針旋轉(zhuǎn)，直到納米線軸與微納光纖軸平行。這種自平行停放現(xiàn)象可以用于調(diào)整微納光纖上金屬納米線的初始姿態(tài)，從而有利于片上集成操作過程。研究人員進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)，在保持激光單脈沖能量不變的情況下，微納光纖上Au 納米線的移動速度取決于激光的重復(fù)頻率（圖4c和d），并且通過擬合趨勢線計算得到單脈沖驅(qū)動的定位分辨率為0.56 nm，與商用超精細(xì)壓電驅(qū)動器的分辨率相當(dāng)。使用1064 nm 納秒激光的驅(qū)動下，該制動器的移動速度為6.5 μm s?1 mW?1，比使用光鑷和近場倏逝力操縱微納粒子在液體環(huán)境中的傳輸速度大兩個數(shù)量級，表明這種等離子體驅(qū)動方法有更高的能量效率以及更普適的應(yīng)用環(huán)境。研究人員還進(jìn)一步演示了片上操作，包括運(yùn)輸，定位，定向和分類，具有原位操作，高選擇性和多功能性。▲圖 3. 在微納光纖上控制Au 納米線。a 在平均功率為6 μW的1064 nm納秒激光驅(qū)動下，傾斜的Au納米線（LNW = 6.3μm）在懸空的微納光纖（Dfiber = 2.1 μm）上旋轉(zhuǎn)并逐漸與微納光纖平行序列照片。b 在22°、7°、3° 和0° 的不同傾斜角度下，模擬了Au納米線底部的熱功率密度分布。c 對在懸空微納光纖（Dfiber = 2.2 μm）上移動的Au納米線（LNW = 2.3 μm）的序列照片，激光的重復(fù)頻率從1600 Hz降到50 Hz，在此期間每個脈沖能量保持恒定為8.6 nJ。d 納米線的移動速度取決于激光重復(fù)率。誤差線是移動速度的方差。
該方法反利用了非液體環(huán)境中的粘附力實現(xiàn)了對納米線的驅(qū)動，其定位精度達(dá)到了亞納米級，并且驅(qū)動功率較低。該等離激元驅(qū)動方式具有普適性，也可以推廣到其他金屬材料及其他形狀的微納波導(dǎo)中。這種等離激元驅(qū)動方法在未來有望可以與其他納米線操作方法相結(jié)合并協(xié)同工作，從而在單個芯片上實現(xiàn)各種功能化光子元件的集成。這對非液體環(huán)境下的全光電子集成系統(tǒng)發(fā)展有很好的促進(jìn)作用。
該論文以上海理工大學(xué)為第一單位，博士生令狐雙藝和博士生顧兆麒為共同第一作者，谷付星老師為通訊作者。論文作者還包括浙江大學(xué)方偉副教授，劍橋大學(xué)楊宗銀博士，華南理工大學(xué)虞華康教授及上海理工大學(xué)的詹其文教授、莊松林院士和顧敏院士等人。谷付星，副教授、博士生導(dǎo)師。2012年畢業(yè)于浙江大學(xué)光電系，同年底進(jìn)入上海理工大學(xué)，目前獨(dú)立領(lǐng)導(dǎo)課題組（https://iome.usst.edu.cn/）。長期從事微納光纖光子器件相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。以第一及通訊作者在Nature. Commun.、Science Adv.、Light: Sci. & Appl.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Nano、Laser & Photonics Rev.等期刊發(fā)表論文28 篇，另與他人合作發(fā)表論文16 篇，包括Science、Nano Lett.等。獲浙江省自然科學(xué)一等獎、饒毓泰基礎(chǔ)光學(xué)獎優(yōu)秀獎、金國藩青年學(xué)子獎學(xué)金獎各1 項，授權(quán)發(fā)明專利9項。
論文信息：Shuangyi Linghu#, Zhaoqi Gu#, Jinsheng Lu, Wei Fang, Zongyin Yang, Huakang Yu, Zhiyuan Li, Runlin Zhu, Jian Peng, Qiwen Zhan, Songlin Zhuang, Min Gu, and Fuxing Gu*. Plasmon-driven nanowire actuators for on-chip manipulation. Nature Communications. 12, 385 (2021).https://www.nature.com/articles/s41467-020-20683-2
