Nanodevice utiliza el sonido para esculpir la luz, abriendo camino para mejores pantallas e imágenes

31 de julio de 2025

por la Universidad de Stanford

editado por Sadie Harley, revisado por Robert Egan

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La luz puede comportarse de maneras muy inesperadas cuando se comprime en espacios pequeños. En un artículo en la revista Science, Mark Brongersma, un profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, y el candidato a doctorado Skyler Selvin describen la forma novedosa en que han utilizado el sonido para manipular la luz que ha sido confinada a brechas de solo unos pocos nanómetros, permitiendo a los investigadores un control exquisito sobre el color e intensidad de la luz mecánicamente.

Los hallazgos podrían tener amplias implicaciones en campos que van desde la exhibición de computadoras y realidad virtual hasta imágenes holográficas 3D, comunicaciones ópticas e incluso nuevas redes neuronales ultrarrápidas basadas en la luz.

El nuevo dispositivo no es el primero en manipular la luz con sonido, pero es más pequeño y potencialmente más práctico y poderoso que los métodos convencionales. Desde un punto de vista de ingeniería, las ondas acústicas son atractivas porque pueden vibrar muy rápido, miles de millones de veces por segundo.

Desafortunadamente, los desplazamientos atómicos producidos por las ondas acústicas son extremadamente pequeños, aproximadamente 1,000 veces más pequeños que la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, los dispositivos acústico-ópticos han tenido que ser más grandes y más gruesos para amplificar el efecto minúsculo del sonido, siendo demasiado grandes para el mundo nanométrico actual.

"En óptica, grande significa lento," dijo Brongersma. "Entonces, la pequeña escala de este dispositivo lo hace muy rápido."

El nuevo dispositivo es engañosamente simple. Un delgado espejo de oro está recubierto con una capa ultradelgada de un polímero de silicona gomoso de solo unos pocos nanómetros de grosor. El equipo de investigación podía fabricar la capa de silicona a los espesores deseados, en cualquier lugar entre 2 y 10 nanómetros. Para comparación, la longitud de onda de la luz es casi de 500 nanómetros de extremo a extremo.

Los investigadores luego depositan una serie de nanopartículas de oro de 100 nanómetros a través de la silicona. Las nanopartículas flotan como pelotas doradas en un océano de polímero sobre un suelo marino reflejado. La luz es recogida por las nanopartículas y el espejo y concentrada en la silicona entre ellos, encogiendo la luz a la escala nanométrica.

A un lado, adjuntan un altavoz especial de ultrasonido, un transductor interdigitado, TDI, que envía ondas de sonido de alta frecuencia ondulando a través de la película casi mil millones de veces por segundo. Las ondas de sonido de alta frecuencia (ondas acústicas de superficie, SAWs) surfear a lo largo de la superficie del espejo de oro debajo de las nanopartículas. El polímero elástico actúa como un resorte, estirándose y comprimiéndose mientras las nanopartículas suben y bajan con el paso de las ondas sonoras.

Luego, los investigadores iluminan el sistema. La luz es comprimida en los huecos oscilantes entre las nanopartículas de oro y el espejo de oro. Los huecos cambian de tamaño por el ancho de solo unos pocos átomos, pero es suficiente para producir un efecto desproporcionado en la luz.

El tamaño de los huecos determina el color de la luz que resuena en cada nanopartícula. Los investigadores pueden controlar los huecos modulando la onda acústica y por lo tanto controlar el color y la intensidad de cada partícula.

"En este estrecho hueco, la luz es comprimida tan estrechamente que incluso el movimiento más pequeño afecta significativamente," dijo Selvin. "Estamos controlando la luz con longitudes en la escala de nanómetros, donde típicamente se han necesitado milímetros para modular la luz acústicamente."

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Cuando la luz blanca se ilumina desde un lado y se enciende la onda sonora, el resultado es una serie de destellantes nanopartículas multicolores contra un fondo negro, como estrellas parpadeando en el cielo nocturno. Cualquier luz que no incida en una nanopartícula es rebotada fuera del campo de visión por el espejo, y solo la luz que es dispersada por las partículas se dirige hacia el ojo humano. Así, el espejo de oro parece negro y cada nanopartícula de oro brilla como una estrella.

El grado de modulación óptica tomó por sorpresa a los investigadores. "Estaba rodando por el suelo de la risa," dijo Brongersma sobre su reacción cuando Selvin le mostró los resultados de sus primeros experimentos.

"Pensé que sería un efecto muy sutil, pero me sorprendió la cantidad de cambios de nanómetros en la distancia pueden cambiar dramáticamente las propiedades de dispersión de la luz."

La excepcional capacidad de ajuste, el pequeño factor de forma y la eficiencia del nuevo dispositivo podrían transformar cualquier número de campos comerciales. Uno puede imaginar pantallas de video ultradelgadas, comunicaciones ópticas ultrarrápidas basadas en las capacidades de alta frecuencia de la acústico-óptica, o quizás nuevos auriculares de realidad virtual holográfica que sean mucho más pequeños que las pantallas voluminosas de hoy, entre otras aplicaciones.

'Cuando podemos controlar la luz de manera tan efectiva y dinámica,' dijo Brongersma, 'podemos hacer todo con la luz que queramos—holografía, dirección de haz, pantallas 3D—cualquier cosa.'

Más información: Skyler Peitso Selvin et al, Modulación de ondas acústicas de cavidades de plasmones de brecha, Ciencia (2025). DOI: 10.1126/ciencia.adv1728. www.ciencia.org/doi/10.1126/ciencia.adv1728

Información del diario: Ciencia

Proporcionado por la Universidad de Stanford