Nanourządzenie wykorzystuje dźwięk do kształtowania światła, otwierając drogę do lepszych wyświetlaczy i obrazowania

31 lipca 2025

przez Uniwersytet Stanforda

edytowane przez Sadie Harley, zrecenzowane przez Roberta Egana

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

sprawdzenie faktów

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

skorygowane

Światło może zachowywać się w bardzo nieoczekiwany sposób, gdy zostanie wyduszone w małe przestrzenie. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Science, Mark Brongersma, profesor nauki o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda, oraz doktorant Skyler Selvin opisują nowatorski sposób wykorzystania dźwięku do manipulowania światłem, które zostało uwięzione w szczelinach o szerokości zaledwie kilka nanometrów - pozwalając badaczom na znakomitą kontrolę nad kolorem i intensywnością światła mechanicznie.

Wyniki te mogą mieć szerokie implikacje w dziedzinach od komputerowych i wirtualnych ekranów po trójwymiarowe obrazowanie holograficzne, komunikację optyczną, a nawet nowe ultra-szybkie, światłowodowe sieci neuronowe.

To nowe urządzenie nie jest pierwsze w manipulowaniu światłem za pomocą dźwięku, ale jest mniejsze, potencjalnie bardziej praktyczne i potężniejsze niż konwencjonalne metody. Z inżynieryjnego punktu widzenia fale akustyczne są atrakcyjne, ponieważ mogą drgać bardzo szybko, miliardy razy na sekundę.

Niestety przemieszczenia atomów wywołane przez fale akustyczne są wyjątkowo małe - około 1000 razy mniejsze niż długość fali świetlnej. Dlatego urządzenia akusto-optyczne musiały być większe i grubsze, aby wzmocnić minimalny efekt dźwięku - zbyt duże dla dzisiejszego nanoskalowego świata.

„W optyce, duża równa się powolna,” powiedział Brongersma. „Dlatego to urządzenie o małej skali jest bardzo szybkie.”

To nowe urządzenie jest zaskakująco proste. Cienkie złote lustro jest pokryte ultracienką warstwą gumowatego polimeru na bazie silikonu o grubości zaledwie kilka nanometrów. Zespół badawczy mógł stworzyć warstwę silikonu o pożądanej grubości - od 2 do 10 nanometrów. Dla porównania, długość fali świetlnej wynosi niemal 500 nanometrów od ogona do końca.

Następnie badacze nanoszą na silikon szereg 100-nanometrowych nanocząstek złota. Nanocząstki unoszą się jak złote plażowe piłki na oceanie polimeru na lustrzanym dnie. Światło jest zbierane przez nanocząstki i lustro i skupione na silikonie między nimi, kurcząc światło do nanoskalowej wielkości.

Na boku dołączają specjalny rodzaj głośnika ultradźwiękowego - transduktor złożony, IDT - który wysyła fale dźwiękowe wysokiej częstotliwości falujące po filmie niemal miliarda razy na sekundę. Falujące fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości (fale akustyczne powierzchniowe, SAW) pływają po powierzchni złotego lustra pod nanocząstkami. Elastyczny polimer zachowuje się jak sprężyna, rozciągając się i sprężając, gdy nanocząstki wodzą góra i w dół podczas przepływu fal dźwiękowych.

Następnie badacze wprowadzają światło do systemu. Światło zostaje wyciśnięte w oscylujące szczeliny między nanocząstkami złota a filmem złotym. Szczeliny zmieniają rozmiar o szerokość zaledwie kilku atomów, ale wystarcza to, aby wywołać nadmiarowy efekt na świetle.

Rozmiar szczelin określa kolor światła rezonującego z każdą nanocząstką. Badacze mogą kontrolować szczeliny poprzez modulowanie fali akustycznej i tym samym kontrolować kolor i intensywność każdej cząsteczki.

„W tej wąskiej szczelinie światło jest tak ściskane, że nawet najmniejszy ruch znacząco na nią wpływa,” powiedział Selvin. „Kontrolujemy światło na długościach na poziomie nanometrów, gdzie typowo wymagane były milimetry do modyfikowania światła akustycznie.”

Odkrywaj najnowsze informacje o nauce, technologii i kosmosie z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje o przełomach, innowacjach i badaniach, które są istotne - codziennie lub tygodniowo.

Gdy światło białe pada z boku i zostaje włączona fala dźwiękowa, efektem jest seria migoczących, wielokolorowych nanocząstek na czarnym tle, jak gwiazdy migoczące na nocnym niebie. Jakiekolwiek światło, które nie uderza w nanocząstek, jest odbijane poza pole widzenia przez lustro, a jedynie światło rozproszone przez cząstki jest kierowane na zewnątrz ku ludzkiemu oku. W ten sposób złote lustro wydaje się czarne, a każda złota nanocząstka świeci jak gwiazda.

Stopień modulacji optycznej zaskoczył badaczy. „Zalewałem się śmiechem na podłodze,” powiedział Brongersma, reagując kiedy Selvin pokazał mu wyniki jego pierwszych eksperymentów.

„Myślałem, że będzie to bardzo delikatny efekt, ale byłem zaskoczony, jak liczne zmiany na nanometrach w odległości mogą dramatycznie zmienić właściwości rozproszenia światła.”

Wyjątkowa możliwość dostrojenia, niewielki rozmiar i efektywność nowego urządzenia mogą zmienić wiele dziedzin handlowych. Można sobie wyobrazić ultracienkie ekrany wideo, ultra-szybką łączność optyczną opartą na zdolnościach akusto-optyki do pracy na wysokich częstotliwościach, albo nowe okulary wirtualnej rzeczywistości holograficznej, które są znacznie mniejsze od dzisiejszych masowych wyświetlaczy, między innymi zastosowania. "Kiedy jesteśmy w stanie kontrolować światło tak efektywnie i dynamicznie," powiedział Brongersma, "możemy robić wszystko z światłem, czego tylko chcemy - holografię, sterowanie wiązką, wyświetlacze 3D - cokolwiek." Więcej informacji: Skyler Peitso Selvin et al, Modulacja fali akustycznej w szczelinowych rezonansach plazmonowych, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv1728. www.science.org/doi/10.1126/science.adv1728 Informacje o czasopiśmie: Science Dostarczone przez Uniwersytet Stanford