Nanodevice utilizza il suono per modellare la luce, aprendo la strada a display e imaging migliori

31 Luglio 2025

di Stanford University

modificato da                                                                 Sadie Harley,                                                        revisionato da Robert Egan

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La luce può comportarsi in modi molto inaspettati quando la si comprime in spazi ristretti. In un articolo pubblicato sulla rivista Science, Mark Brongersma, un professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università di Stanford, e il dottorando Skyler Selvin descrivono il nuovo modo in cui hanno utilizzato il suono per manipolare la luce che è stata confinata in fessure larghe solo pochi nanometri, consentendo ai ricercatori un controllo esquisito sul colore e sull'intensità della luce meccanicamente.

Questi risultati potrebbero avere ampie implicazioni in campi che vanno dai display per computer e realtà virtuale all'immagine olografica 3D, dalle comunicazioni ottiche a nuove reti neurali ultraveloci basate sulla luce.

Il nuovo dispositivo non è il primo a manipolare la luce con il suono, ma è più piccolo e potenzialmente più pratico e potente rispetto ai metodi convenzionali. Dal punto di vista ingegneristico, le onde acustiche sono attrattive perché possono vibrare molto velocemente, miliardi di volte al secondo.

Sfortunatamente, gli spostamenti atomici prodotti dalle onde acustiche sono estremamente piccoli, circa 1.000 volte più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Pertanto, i dispositivi acustici ottici sono stati più grandi e spessi per amplificare l'effetto del suono troppo piccolo per il mondo nanometrico di oggi.

'In ottica, grande equivale a lento,' ha detto Brongersma. 'Quindi, la piccola scala di questo dispositivo lo rende molto veloce.'

Il nuovo dispositivo è ingannevolmente semplice. Uno specchio d'oro sottile è rivestito con uno strato ultrasottile di un polimero siliconico gommoso spesso solo pochi nanometri. Il team di ricerca è stato in grado di fabbricare lo strato di silicone con spessori desiderati, ovunque tra 2 e 10 nanometri. Per confronto, la lunghezza d'onda della luce è quasi di 500 nanometri da un'estremità all'altra.

Successivamente, i ricercatori depositano un'array di nanoparticelle d'oro da 100 nanometri attraverso il silicone. Le nanoparticelle fluttuano come palle d'oro su un oceano di polimero sopra un fondo marino specchiato. La luce è raccolta dalle nanoparticelle e dallo specchio e concentrata sul silicone tra essi, riducendo la luce a livello nanometrico.

Di lato, collegano un tipo speciale di altoparlante ad ultrasuoni - un trasduttore interdigitato, IDT - che invia onde sonore ad alta frequenza che si propagano attraverso il film quasi un miliardo di volte al secondo. Le onde sonore ad alta frequenza (onde acustiche superficiali, SAW) si propagano lungo la superficie dello specchio d'oro sotto le nanoparticelle. Il polimero elastico agisce come una molla, allungandosi e comprimendosi mentre le nanoparticelle si muovono su e giù mentre le onde sonore passano.

I ricercatori quindi fanno brillare la luce nel sistema. La luce viene compressa nei vuoti oscillanti tra le nanoparticelle d'oro e il film d'oro. I vuoti cambiano dimensione di pochi atomi, ma è sufficiente per produrre un effetto su scala maggiore sulla luce.

Le dimensioni dei vuoti determinano il colore della luce che risuona da ciascuna nanoparticella. I ricercatori possono controllare i vuoti modulando l'onda acustica e quindi controllare il colore e l'intensità di ciascuna particella.

'In questo stretto vuoto, la luce è compressa così strettamente che anche il più piccolo movimento la influenza significativamente,' ha detto Selvin. 'Stiamo controllando la luce con lunghezze su scala nanometrica, dove tipicamente sono stati richiesti millimetri per modulare la luce acusticamente.'

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Quando la luce bianca è proiettata lateralmente e l'onda sonora è accesa, il risultato è una serie di nanoparticelle cangianti e multicolori su uno sfondo nero, come stelle che luccicano nel cielo notturno. Qualsiasi luce che non colpisce una nanoparticella viene rimbalzata fuori dal campo visivo dallo specchio, e solo la luce che è dispersa dalle particelle è indirizzata verso l'esterno verso l'occhio umano. Così, lo specchio d'oro appare nero e ogni nanoparticella d'oro brilla come una stella.

Il grado di modulazione ottica ha colto di sorpresa i ricercatori. 'Ridacchiavo a terra,' ha detto Brongersma riguardo alla sua reazione quando Selvin gli ha mostrato i risultati dei suoi primi esperimenti.

'Pensavo che sarebbe stato un effetto molto sottile, ma ero stupito di quanti cambiamenti di nanometri nella distanza possono cambiare così drammaticamente le proprietà di scattering della luce.'

La straordinaria regolabilità, le dimensioni ridotte e l'efficienza del nuovo dispositivo potrebbero trasformare numerosi campi commerciali. Si può immaginare display video ultraleggeri, comunicazioni ottiche ultra‑veloci basate sulle capacitá ad alta frequenza della acustica‑ottica, o forse nuovi visori per la realtà virtuale olografica che sono molto più piccoli rispetto ai display ingombranti di oggi, tra le altre applicazioni.

'Quando possiamo controllare la luce così efficacemente e dinamicamente,' ha detto Brongersma, 'possiamo fare di tutto con la luce che vogliamo—olografia, orientamento del fascio, display 3D—qualsiasi cosa.'

Maggiori informazioni: Skyler Peitso Selvin et al, Modulazione dell'onda acustica delle cavità del plasmon gap, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv1728. www.science.org/doi/10.1126/science.adv1728

Informazioni sulla rivista: Science

Fornito da Stanford University