Forskere Opret Første nano-størrelse Light Mill Motor

Published on July 5, 2010 at 7:36 PM

Mens disse vidunderlige lyssværd i Star Wars filmene forbliver udslag af George Lucas 'frodige fantasi, lys møller - roterende motorer drevet af lys - som kan magt objekter tusindvis af gange større i størrelse, er nu faktisk.

Forskere med US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California (UC) Berkeley har skabt den første nano-størrelse lys mølle motor, hvis omdrejningstal og retning kan styres ved tuning hyppigheden af hændelsen lysbølger.

Ming Liu (forgrunden), Xiang Zhang og Thomas Zentgraf har skabt den første nano-størrelse lys mølle motor, hvis omdrejningstal og retning styres af frekvensen af ​​indfaldende lys bølger. Dette skulle åbne døren til en bred vifte af værdifulde anvendelsesformål inden for energi og biologi samt i nanoelectromechanical systemer. (Foto af Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)

Det kan ikke hjælpe erobre den mørke side, men denne nye lys mølle åbner døren til en bred vifte af værdifulde applikationer, herunder en ny generation af nanoelectromechanical systemer (NEMS), nanoskala sol lys høstmaskiner, og robotter, der kan udføre in vivo manipulations af DNA og andre biologiske molekyler.

"Vi har demonstreret en plasmoniske motor kun 100 nanometer i størrelse, når det belyses med lineært polariseret lys kan generere et moment nok til at drive en mikrometer-store silica disk 4.000 gange større i volumen," siger Xiang Zhang, en ledende forsker med Berkeley Lab Materials Sciences Division og direktør for UC Berkeleys Nano-skala Science and Engineering Center (SINAM), der ledede denne forskning. "Ud over at nemt at kunne styre omdrejningstal og retning af denne motor, kan vi skabe sammenhængende arrays af sådanne motorer, hvilket resulterer i større drejningsmoment og hurtigere rotation af disketter."

Succesen for denne nye lys mølle skyldes, at den kraft, der virker på sagen ved hjælp af lys kan forbedres i en metallisk nanostruktur, når hyppigheden af ​​hændelsen lysbølger er resonans med metallet er plasmoner - overflade bølger, der ruller gennem en metal er overledning elektroner . Zhang og hans kolleger udformet en gammadion-formet lys mølle type nanomotor ud af guld, der var strukturelt designet til at optimere samspillet mellem lys og stof. Den metamaterial-stil struktur også inducerede orbital impulsmoment på det lys, der til gengæld pålagt et drejningsmoment på nanomotor.

"Den plane gammadion guld strukturer kan ses som en kombination af fire små LC-kredsløb, for hvilke resonansfrekvenser bestemmes af geometri og dielektriske egenskaber af metal," siger Zhang. "De pålagte moment resultater udelukkende fra gammadion struktur er symmetri og interaktion med alle lysindfald, herunder lys som ikke medtager impulsmoment. Grundlæggende vi bruger design til at indkode impulsmoment i selve strukturen. Siden impulsmoment af det lys, behøver ikke at være forudbestemt, kan den lysende kilden være et simpelt lineært polariseret fly-bølge eller Gaussisk stråle. "

Resultaterne af denne forskning er rapporteret i tidsskriftet Nature Nanotechnology i et papir med titlen, "Light-drevet nanoskala plasmoniske motorer." Co-authoring papiret med Zhang var Ming Liu, Thomas Zentgraf, Yongmin Liu og Guy Bartal.

Det har længe været kendt, at fotonerne i en stråle af lys bære både lineære og impulsmoment, der kan overføres til et materiale objekt. Optisk pincet og fælder, for eksempel, er baseret på direkte overførsel af lineære momentum. I 1936 demonstrerede Princeton fysikeren Richard Beth at impulsmoment - i enten den spin eller orbital form - når de ændres af spredning eller absorption af lys kan producere en mekanisk moment på et objekt. Tidligere forsøg på at udnytte denne overførsel af impulsmoment for en roterende motor er blevet hæmmet af den svage vekselvirkning mellem fotoner og stof.

"Den typiske motorer skulle være mindst mikrometer eller endda millimeter i størrelse for at generere en tilstrækkelig mængde drejningsmoment," siger ledende forfatter Ming Liu, en ph.d.-studerende i Zhang gruppe. "Vi har vist, at i en nanostruktur som vores gammadion guld lys mølle, er drejningsmomentet forøges kraftigt af koblingen af ​​det indfaldende lys til plasmoniske bølger. Den effekttæthed af vores motorer er meget høj. Som en bonus, er omdrejningsretningen kontrolleres, en ulogisk faktisk baseret på, hvad vi lære af vindmøller. "

Den retningsbestemte ændring, Liu forklarer, er gjort mulig ved støtte fra de fire bevæbnede gammadion struktur for to store resonans tilstande - en bølgelængde på 810 nanometer, og en bølgelængde på 1.700 nanometer. Når det belyses med en lineært polariseret gaussisk stråle af laserlys på kortere bølgelængde, roteres den plasmoniske motoren mod uret med en hastighed på 0,3 Hertz. Når det belyses med en lignende laserstråle, men på de større bølgelængde, jo nanomotor roteres med samme sats af hastighed, men i urets retning.

"Når flere motorer er integreret i én silica disketter, den drejningsmomenter anvendes på disken fra de enkelte motorer ophobes og den samlede drejningsmomentet er øget," Liu siger. "For eksempel, opnår en silica disk indlejret med fire plasmoniske nanomotors samme rotationshastigheden med kun halvdelen af ​​lasereffekten anvendes som en disk indlejret med en enkelt motor."

Nanoskala Størrelsen af ​​denne nye lys mølle gør det ideelt til kraftoverførsel NEMS, hvor præmien er på størrelse snarere end effektivitet. Generering af relativt kraftige drejningsmoment i en nanostørrelses lys mølle har også talrige potentielle biologiske applikationer, herunder den kontrollerede afvikling og tilbagespoling af DNA dobbelt helix. Når disse lys mill motorer er strukturelt optimeret til effektivitet, kunne de være nyttige for høst solenergi i nanoskopiske systemer.

"Ved at designe flere motorer til at arbejde på forskellige resonansfrekvenser og i en enkelt retning, kunne vi få moment fra den brede vifte af bølgelængder findes i sollys," Liu siger.

Denne forskning blev støttet af DOE Office of Science.

Last Update: 6. October 2011 18:08

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit