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近日，上海理工大学庄松林院士、顾敏院士领导的未来光学实验室在光力操纵研究领域取得重大突破。谷付星老师带领的课题组首次从理论到实验实现了在非液体环境中，使用等离激元驱动技术对金属纳米线进行精密操控。课题组使用微纳光纤激发金属纳米线表面等离激元形成驻波结构，使得金属纳米线显著且不均匀分布的热膨胀、摩擦和收缩等协同作用。纳米线可以在非液体环境中克服衬底强大的粘附力，以类似蚯蚓蠕动的方式在微纳光纤上运动，并具有亚纳米级定位精度，低驱动功率和自平行停放的优点。研究成果以《Plasmon-driven nanowire actuators for on-chip manipulation》为题发表在Nature Communications,12,385 (2021).
背景介绍
金属纳米线是下一代光电子集成系统中非常有前景的基本组成元件，但在单片集成实际应用中仍然缺少微观尺度下对金属纳米线的精准操控方法，这也严重阻碍了金属纳米线在集成器件中的应用。这主要是由于在非液体环境中纳米线与基底的粘附力很强（大小通常在微牛量级，微观尺度下是个较强的作用），该值远大于光镊的光动量产生的力（大小通常在皮牛量级）。使得传统的光镊操作手段不适用，且目前实验常用的使用3维位移台操控纳米线的方式，只能粗略的在横向向移动纳米线。克服衬底对纳米线强大粘附力、在非液体环境下操控纳米线仍然是个巨大的挑战。
本文思路
研究人员将微纳光纤与金属纳米线相结合，展现了一种新方法，该方法反利用了非液体环境中的粘附力实现了对金属纳米线的驱动。微纳光纤导波产生的倏逝场与金属纳米线作用将激起表面等离激元（SPP），SPP产生热能会使金属纳米线晶格不均匀热膨胀，当所产生的表面声波（SAW）能量足够强时，金属纳米线就能克服表面粘附力而移动。
图 1. 等离子驱动的Au 纳米线在二氧化硅微纳光纤运动示意图。展示了分别由波长为532 nm和1064 nm的脉冲激光驱动Au 纳米线在悬空微纳光纤上的运动。其中只有1064 nm的脉冲激光才能有效地激发Au 纳米线中的SPP，从而增强吸收光的热效应，并诱导产生表面声波驱动Au 纳米线沿二氧化硅微纳光纤运动。
研究人员提出了一种基于热膨胀、摩擦和收缩协同工作的类蚯蚓蠕动运动机制。如图2a所示，初始阶段，1064nm的纳秒脉冲激光通入微纳光纤，产生的倏逝场与金属纳米线作用将激起SPP，并在端部形成SPP驻波结构。该结构可以在纳米线局部增强SSP的场强和由此产生的热能。这些不均匀分布的热能会使纳米线端部晶格膨胀（图2b），纳米线的前端向下方和前方膨胀，并且该膨胀会以表面声波形式向整根纳米线传播（图2d）。下一个阶段，纳米线开始收缩，微纳光纤和纳米线之间的摩擦由于间距减少而增强，纳米线前端膨胀点将产生远强于其余部分的摩擦，使得该点紧紧附着于微纳光纤，纳米线将以该点为中心收缩（图2e）。在最后的阶段，纳米线恢复原始尺寸，而纳米线整体将向前运动（图2f）。整个过程在几十个纳秒下完成，重复脉冲光的传播可以实现纳米线持续移动。
图 2. 类蚯蚓蠕动运动机制示意图。a 1064 nm脉冲激光通入微纳光纤与金纳米线作用的纵断面电场分布数值模拟结果。b 图a中纳米线下表面的热场分布数值模拟图。c d e f类蚯蚓蠕动运动机制的阶段示意图。
图 3. 在微纳光纤上控制Au 纳米线。a 在平均功率为6 μW的1064 nm纳秒激光驱动下，倾斜的Au纳米线（LNW = 6.3μm）在悬空的微纳光纤（Dfiber = 2.1 μm）上旋转并逐渐与微纳光纤平行序列照片。b 在22°、7°、3° 和0° 的不同倾斜角度下，模拟了Au纳米线底部的热功率密度分布。c 对在悬空微纳光纤（Dfiber = 2.2 μm）上移动的Au纳米线（LNW = 2.3 μm）的序列照片，激光的重复频率从1600 Hz降到50 Hz，在此期间每个脉冲能量保持恒定为8.6 nJ。d 纳米线的移动速度取决于激光重复率。误差线是移动速度的方差。
研究人员还发现纳米线在微纳光纤上面还具有自平行停放（self-parallel parking）的特点（图3a和b）。通过对于微光纤轴向具有一定初始倾斜角度的金纳米线进行了模拟分析，热源主要分布在纳米线的中部和右侧，并且纳米线下表面的热功率密度大于上表面。这种不均匀的热量分布将导致纳米线顺时针旋转，直到纳米线轴与微纳光纤轴平行。这种自平行停放现象可以用于调整微纳光纤上金属纳米线的初始姿态，从而有利于片上集成操作过程。研究人员进一步实验发现，在保持激光单脉冲能量不变的情况下，微纳光纤上Au 纳米线的移动速度取决于激光的重复频率（图3c和d），并且通过拟合趋势线计算得到单脉冲驱动的定位分辨率为0.56 nm，与商用超精细压电驱动器的分辨率相当。使用1064 nm 纳秒激光的驱动下，该制动器的移动速度为6.5 μm s−1 mW−1，比使用光镊和近场倏逝力操纵微纳粒子在液体环境中的传输速度大两个数量级，表明这种等离子体驱动方法有更高的能量效率以及更普适的应用环境。研究人员还进一步演示了片上操作，包括运输，定位，定向和分类，具有原位操作，高选择性和多功能性。
总结及展望
该方法反利用了非液体环境中的粘附力实现了对纳米线的驱动，其定位精度达到了亚纳米级，并且驱动功率较低。该等离激元驱动方式具有普适性，也可以推广到其他金属材料及其他形状的微纳波导中。这种等离激元驱动方法在未来有望可以与其他纳米线操作方法相结合并协同工作，从而在单个芯片上实现各种功能化光子元件的集成。这对非液体环境下的全光电子集成系统发展有很好的促进作用。
论文共同第一作者博士生令狐双艺（右一）和博士生顾兆麒（右二）
该论文以上海理工大学为第一单位，博士生令狐双艺和博士生顾兆麒为共同第一作者，谷付星老师为通讯作者。论文作者还包括浙江大学方伟副教授和博士生卢锦胜，剑桥大学杨宗银博士，华南理工大学虞华康教授和李志远教授，及上海理工大学的詹其文教授、庄松林院士和顾敏院士等人。
相关论文链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20683-2