Nanodevice verwendet Sound, um Licht zu formen, und ebnet den Weg für bessere Displays und Bildgebung.

31. Juli 2025

von der Stanford-Universität

herausgegeben von Sadie Harley, überprüft von Robert Egan

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Licht kann sich auf sehr unerwartete Weise verhalten, wenn man es in kleine Räume zwängt. In einem Artikel in der Zeitschrift Science beschreiben Mark Brongersma, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford-Universität, und Doktorand Skyler Selvin auf neuartige Weise, wie sie Schall verwendet haben, um Licht zu manipulieren, das auf Spalten von nur wenigen Nanometern Breite eingeschlossen ist—wodurch die Forscher eine exquisite Kontrolle über Farbe und Intensität des Lichts auf mechanischem Wege erhalten.

Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Computer- und Virtual-Reality-Displays, 3D-Holografie, optische Kommunikation und sogar neue, ultraschnelle, lichtbasierte neuronale Netzwerke haben.

Das neue Gerät ist nicht das erste, das Licht mit Schall manipuliert, aber es ist kleiner und potenziell praktischer und leistungsstärker als herkömmliche Methoden. Aus ingenieurstechnischer Sicht sind akustische Wellen attraktiv, weil sie sehr schnell schwingen können, milliardenfach pro Sekunde.

Leider sind die von akustischen Wellen erzeugten atomaren Verschiebungen extrem klein—etwa 1.000-mal kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Daher mussten akusto-optische Geräte größer und dicker sein, um den winzigen Einfluss des Schalls zu verstärken—zu groß für die heutige nanoskalige Welt.

'In der Optik steht groß für langsam,' sagte Brongersma. 'Also macht die geringe Größe dieses Geräts es sehr schnell.'

Das neue Gerät ist trügerisch einfach. Ein dünner Goldspiegel ist mit einer ultradünnen Schicht eines gummiartigen, silikonbasierten Polymers beschichtet, das nur wenige Nanometer dick ist. Das Forschungsteam konnte die Silikonschicht auf gewünschte Dicken anfertigen—überall zwischen 2 und 10 Nanometern. Zum Vergleich: Die Wellenlänge des Lichts beträgt fast 500 Nanometer von Anfang bis Ende.

Die Forscher setzen dann eine Anordnung von 100-Nanometer-Goldnanopartikeln über das Silikon. Die Nanopartikel schweben wie goldenen Strandbällen auf einem Ozean aus Polymer auf einem gespiegelten Meeresboden. Das Licht wird von den Nanopartikeln und dem Spiegel gesammelt und auf das zwischen den Nanopartikeln eingeklemmte Silikon fokussiert—wodurch das Licht auf die Nanoskala geschrumpft wird.

An der Seite befestigen sie einen speziellen Ultraschalllautsprecher—einen Interdigitaltransducer, IDT—der hochfrequente Schallwellen fast eine Milliarde Mal pro Sekunde über den Film schickt. Die hochfrequenten Schallwellen (Oberflächen­akustikwellen, SAWs) surfen entlang der Oberfläche des Goldspiegels unter den Nanopartikeln. Das elastische Polymer verhält sich wie eine Feder, die sich dehnt und zusammenzieht, während die Nanopartikel auf und ab wippen, während die Schallwellen vorbeiströmen.

Die Forscher lassen dann Licht in das System einstrahlen. Das Licht wird in die oszillierenden Lücken zwischen den Goldnanopartikeln und dem Goldfilm gequetscht. Die Lücken verändern sich in der Größe um die Breite eines wenigen Atoms, aber es ist genug, um einen überdimensionalen Effekt auf das Licht zu erzeugen.

Die Größe der Lücken bestimmt die Farbe des Lichts, das von jedem Nanopartikel resoniert. Die Forscher können die Lücken kontrollieren, indem sie die akustische Welle modulieren und dadurch die Farbe und Intensität jedes Partikels steuern.

'In diesem engen Spalt wird das Licht so eng gequetscht, dass selbst die kleinste Bewegung es signifikant beeinflusst,' sagte Selvin. 'Wir kontrollieren das Licht mit Längen im Nanometerbereich, wo typischerweise Millimeter erforderlich waren, um Licht akustisch zu modulieren.'

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Wenn weißes Licht von der Seite aufstrahlt und die Schallwelle eingeschaltet wird, entsteht eine Serie flackernder, vielfarbiger Nanopartikel vor einem schwarzen Hintergrund, wie Sterne, die am Nachthimmel funkeln. Jegliches Licht, das keinen Nanopartikel trifft, wird vom Spiegel aus dem Blickfeld abprallen, und nur das Licht, das von den Partikeln gestreut wird, wird nach außen hin zum menschlichen Auge gerichtet. Daher erscheint der Goldspiegel schwarz und jeder Goldnanopartikel leuchtet wie ein Stern.

Das Ausmaß der optischen Modulation hat die Forscher überrascht. 'Ich lag am Boden und habe gelacht,' sagte Brongersma über seine Reaktion, als Selvin ihm die Ergebnisse seiner ersten Experimente zeigte.

'Ich dachte, es würde ein sehr subtiler Effekt sein, aber ich war erstaunt darüber, wie viele Nanometer-Änderungen im Abstand die Lichtstreuungseigenschaften so dramatisch verändern können.'

Die außergewöhnliche Abstimmbarkeit, das kleine Formfaktor und die Effizienz des neuen Geräts könnten zahlreiche kommerzielle Bereiche transformieren. Man kann sich ultradünne Videodisplays, ultraschnelle optische Kommunikationen basierend auf den Hochfrequenzfähigkeiten der Akusto-Optik oder vielleicht neue holographische Virtual-Reality-Headsets vorstellen, die viel kleiner sind als die sperrigen Displays von heute, unter anderen Anwendungen. "Wenn wir das Licht so effektiv und dynamisch kontrollieren können," sagte Brongersma, "können wir alles mit Licht machen, was wir wollen - Holografie, Strahlsteuerung, 3D-Anzeigen - alles." Weitere Informationen: Skyler Peitso Selvin et al, Akustische Wellenmodulation von Spalt-Plasmon-Höhlen, Wissenschaft (2025). DOI: 10.1126/science.adv1728. www.science.org/doi/10.1126/science.adv1728 Journalinformation: Wissenschaft Bereitgestellt von Stanford University