▲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，上海理工大學莊松林院士、顧敏院士領導的未來光學實驗室在光力操縱研究領域取得重大突破。谷付星老師帶領的課題組首次從理論到實驗實現(xiàn)了在非液體環(huán)境中，使用等離激元驅動技術對金屬納米線進行精密操控。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構，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)境中克服襯底強大的粘附力，以類似蚯蚓蠕動的方式在微納光纖上運動，并具有亞納米級定位精度，低驅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用中仍然缺少微觀尺度下對金屬納米線的精準操控方法，這也嚴重阻礙了金屬納米線在集成器件中的應用。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（大小通常在微牛量級，微觀尺度下是個較強的作用），該值遠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動。微納光纖導波產(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，當所產(chǎn)生的表面聲波（SAW）能量足夠強時，金屬納米線就能克服表面粘附力而移動。
▲圖 1. 等離子驅動的Au 納米線在二氧化硅微納光纖運動示意圖。展示了分別由波長為532 nm和1064 nm的脈沖激光驅動Au 納米線在懸空微納光纖上的運動。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，從而增強吸收光的熱效應，并誘導產(chǎn)生表面聲波驅動Au 納米線沿二氧化硅微納光纖運動。
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動機制。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駐波結構。該結構可以在納米線局部增強SSP的場強和由此產(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，納米線前端膨脹點將產(chǎn)生遠強于其余部分的摩擦，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，納米線恢復原始尺寸，而納米線整體將向前運動（圖2f）。整個過程在幾十個納秒下完成，重復脈沖光的傳播可以實現(xiàn)納米線持續(xù)移動。▲圖 2. 類蚯蚓蠕動運動機制示意圖。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 類蚯蚓蠕動運動機制的階段示意圖。
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行了模擬分析，熱源主要分布在納米線的中部和右側，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致納米線順時針旋轉，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頻率（圖4c和d），并且通過擬合趨勢線計算得到單脈沖驅動的定位分辨率為0.56 nm，與商用超精細壓電驅動器的分辨率相當。使用1064 nm 納秒激光的驅動下，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動方法有更高的能量效率以及更普適的應用環(huán)境。研究人員還進一步演示了片上操作，包括運輸，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)了對納米線的驅動，其定位精度達到了亞納米級，并且驅動功率較低。該等離激元驅動方式具有普適性，也可以推廣到其他金屬材料及其他形狀的微納波導中。這種等離激元驅動方法在未來有望可以與其他納米線操作方法相結合并協(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)展有很好的促進作用。
該論文以上海理工大學為第一單位，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方偉副教授，劍橋大學楊宗銀博士，華南理工大學虞華康教授及上海理工大學的詹其文教授、莊松林院士和顧敏院士等人。谷付星，副教授、博士生導師。2012年畢業(yè)于浙江大學光電系，同年底進入上海理工大學，目前獨立領導課題組（https://iome.usst.edu.cn/）。長期從事微納光纖光子器件相關的應用基礎研究。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。獲浙江省自然科學一等獎、饒毓泰基礎光學獎優(yōu)秀獎、金國藩青年學子獎學金獎各1 項，授權發(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
