Nanodevice gebruikt geluid om licht te boetseren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor betere displays en beeldvorming.

31 juli 2025

door Stanford University

bewerkt door Sadie Harley, gerecenseerd door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

mede-redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gecontroleerd op feiten

door vakgenoten beoordeelde publicatie

vertrouwde bron

nagelezen

Licht kan zich op zeer onverwachte manieren gedragen wanneer je het in kleine ruimtes perst. In een artikel in het tijdschrift Science beschrijven Mark Brongersma, hoogleraar materiaalkunde en ingenieurswetenschappen aan de Stanford-universiteit, en doctoraatsstudent Skyler Selvin op een nieuwe manier hoe ze geluid hebben gebruikt om licht te manipuleren dat is opgesloten in slechts enkele nanometers brede openingen, waardoor de onderzoekers uitstekende controle hebben over de kleur en intensiteit van licht op mechanische wijze.

De bevindingen zouden brede implicaties kunnen hebben in gebieden variërend van computer- en virtualreality-displays tot 3D-holografische beelden, optische communicatie en zelfs nieuwe ultrasnelle, op licht gebaseerde neurale netwerken.

Het nieuwe apparaat is niet het eerste dat licht manipuleert met geluid, maar het is kleiner en potentieel praktischer en krachtiger dan conventionele methoden. Vanuit een technisch oogpunt zijn akoestische golven aantrekkelijk omdat ze zeer snel kunnen trillen, miljarden keren per seconde.

Helaas zijn de atoomverplaatsingen veroorzaakt door akoestische golven extreem klein, ongeveer 1.000 keer kleiner dan de golflengte van licht. Daarom moesten acousto-optische apparaten groter en dikker zijn om het kleine effect van geluid te versterken - te groot voor de nanoschaalwereld van vandaag.

'Bij optica betekent groot ook traag,' zei Brongersma. 'Daarom maakt de kleine schaal van dit apparaat het heel snel.'

Het nieuwe apparaat is verrassend eenvoudig. Een dunne gouden spiegel is bedekt met een ultradun laagje van een rubberachtig op siliconen gebaseerd polymeer dat slechts enkele nanometers dik is. Het onderzoeksteam kon de dikte van het siliconenlaagje fabriceren tot de gewenste diktes - overal tussen 2 en 10 nanometer. Ter vergelijking, de golflengte van licht is bijna 500 nanometer van punt tot staart.

De onderzoekers deponeren vervolgens een reeks gouden nanodeeltjes van 100 nanometer over het siliconen. De nanodeeltjes zweven als gouden strandballen op een oceaan van polymeer boven een spiegelende zeebodem. Het licht wordt verzameld door de nanodeeltjes en spiegel en gericht op het siliconen daartussen - waardoor het licht tot nanoschaal wordt verkleind.

Aan de zijkant bevestigen ze een speciaal soort luidspreker voor ultrasoon geluid - een interdigitale transducer, ITD - die hoge-frequentie geluidsgolven over de film stuurt bijna een miljard keer per seconde. De hoge-frequentie geluidsgolven (oppervlakte-akoestische golven, SAWs) surfen langs het oppervlak van de gouden spiegel onder de nanodeeltjes. Het elastische polymeer gedraagt zich als een veer, rekt uit en comprimeert wanneer de nanodeeltjes op en neer bewegen als de geluidsgolven passeren.

De onderzoekers schijnen dan licht in het systeem. Het licht wordt samengeperst in de oscillerende openingen tussen de gouden nanodeeltjes en de gouden film. De openingen veranderen van grootte met slechts de breedte van een paar atomen, maar dat is genoeg om een buitensporig effect op het licht te produceren.

De grootte van de openingen bepaalt de kleur van het licht dat resoneert vanuit elk nanodeeltje. De onderzoekers kunnen de openingen controleren door de akoestische golf te moduleren en daardoor de kleur en intensiteit van elk deeltje controleren.

'In deze smalle opening wordt het licht zo strak samengeperst dat zelfs de kleinste beweging het aanzienlijk beïnvloedt,' zei Selvin. 'We controleren het licht met lengtes op nanometerschaal, waar normaal gesproken millimeters nodig waren om licht akoestisch te moduleren.'

Ontdek het laatste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

Wanneer wit licht van opzij wordt geschenen en de geluidsgolf wordt ingeschakeld, is het resultaat een reeks flikkerende, veelkleurige nanodeeltjes tegen een zwarte achtergrond, zoals sterren twinkelen aan de nachtelijke hemel. Elk licht dat geen nanodeeltje raakt, wordt uit het gezichtsveld gestuiterd door de spiegel, en alleen het licht dat verstrooid wordt door de deeltjes wordt naar buiten gericht naar het menselijk oog. Zo lijkt de gouden spiegel zwart en elk gouden nanodeeltje schittert als een ster.

De mate van optische modulatie verraste de onderzoekers. 'Ik rolde over de vloer van het lachen,' zei Brongersma over zijn reactie toen Selvin hem de resultaten van zijn eerste experimenten toonde.

'Ik dacht dat het een zeer subtiel effect zou zijn, maar ik was verbaasd over hoeveel nanometer veranderingen in afstand de licht verstrooiende eigenschappen zo dramatisch kunnen veranderen.'

De uitzonderlijke afstembaarheid, kleine vormfactor en efficiëntie van het nieuwe apparaat zouden elke commerciële sector kunnen transformeren. Men kan zich ultradunne videodisplays voorstellen, ultrasnelle optische communicatie op basis van de hoogfrequente capaciteiten van akoestische optica, of misschien nieuwe holografische virtual reality headsets die veel kleiner zijn dan de logge displays van vandaag, naast andere toepassingen.

'Als we het licht zo effectief en dynamisch kunnen controleren,' zei Brongersma, 'kunnen we alles doen met licht wat we maar willen—holografie, straalsturing, 3D-displays—alles.'

Meer informatie: Skyler Peitso Selvin et al, Akoestische golfmodulatie van spleet plasmonische holtes, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv1728. www.science.org/doi/10.1126/science.adv1728

Tijdschriftinformatie: Science

Geleverd door Stanford University