Nanodevice använder ljud för att skulptera ljus, vilket banar väg för bättre skärmar och avbildning.

31 juli 2025

av Stanford University

redigerat av Sadie Harley, granskat av Robert Egan

vetenskaplig redaktör

associate redaktör

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s editorial process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

faktagranskat

peer-reviewed publicering

pålitlig källa

korrekturläst

Ljus kan uppträda på väldigt oväntade sätt när du pressar in det i små utrymmen. I en artikel i tidskriften Science beskriver Mark Brongersma, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, och doktorand Skyler Selvin på ett nytt sätt de har använt ljud för att manipulera ljus som har begränsats till mellanrum bara några nanometer tvärsöver – vilket ger forskarna utsökt kontroll över ljusets färg och intensitet mekaniskt.

Fynden kan ha breda implikationer inom områden som sträcker sig från dator- och virtuella verklighetsdisplayer till 3D-holografisk bild, optisk kommunikation och även nya ultrahastiga, ljusbaserade neuronnät.

Den nya enheten är inte den första som manipulerar ljus med ljud, men den är mindre och potentiellt mer praktisk och kraftfull än konventionella metoder. Ur ett tekniskt perspektiv är akustiska vågor attraktiva eftersom de kan vibrera mycket snabbt, miljarder gånger per sekund.

Tyvärr är de atomära förflyttningar som frambringas av akustiska vågor extremt små – ungefär 1 000 gånger mindre än ljusets våglängd. Därför har akusto-optiska enheter varit tvungna att vara större och tjockare för att förstärka ljudets lilla effekt – för stora för dagens nanoskala värld.

”I optiken, stor betyder långsam,” sade Brongersma. ”Så, den här enhetens lilla skala gör den mycket snabb.”

Den nya enheten är bedrägligt enkel. En tunn guldspegel är belagd med ett ultratunt lager av en gummiaktig polymer baserad på silikon endast några nanometer tjock. Forskarteamet kunde tillverka silikonlagret till önskad tjocklek – någonstans mellan 2 och 10 nanometer. För jämförelse, är ljusets våglängd nästan 500 nanometer tuppen till svansen.

Forskarna deponerar sedan en array med 100-nanometer guldpartiklar över silikonet. Partiklarna flyter som gyllene strandbollar på ett hav av polymer ovanpå en speglad havsbotten. Ljuset samlas av partiklarna och spegeln och fokuseras på silikonet däremellan – krympande ljuset till nanoskalan.

På sidan fäster de en speciell typ av ultraljudshögtalare – en interdigitated transducer, IDT – som sänder högfrekventa ljudvågor som vibrerar över filmen nästan en miljard gånger per sekund. De högfrekventa ljudvågorna (ytföljeseddewågor, SAWs) surfar längs ytan av guldspegeln under partiklarna. Den elastiska polymeren agerar som en fjäder, sträcker och komprimerar sig när partiklarna guppar upp och ner när ljudvågorna forsar förbi.

Forskarna skiner sedan ljus in i systemet. Ljuset pressas in i de oscillerande mellanrummen mellan guldpartiklarna och guldfilmen. Mellanrummen ändras i storlek med endast bredden av några atomer, men det är tillräckligt för att producera en outsized effekt på ljuset.

Storleken på mellanrummen bestämmer färgen på ljuset som resoneras från varje nanopartikel. Forskarna kan kontrollera mellanrummen genom att modulera den akustiska vågen och därmed kontrollera färgen och intensiteten hos varje partikel.

”I det här snäva mellanrummet pressas ljuset så tätt att även den minsta rörelsen påverkar det avsevärt,” sade Selvin. ”Vi kontrollerar ljuset med längder på nanometerskalan, där typiskt millimeter har krävts för att modulera ljuset akustiskt.”

 Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymd med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något – dagligen eller veckovis.

När vitt ljus strålar från sidan och ljudvågen slås på, är resultatet en serie flimrande, mångfärgade nanopartiklar mot en svart bakgrund, som stjärnor som gnistrar på natthimlen. Allt ljus som inte träffar en nanopartikel studsas ut ur synfältet av spegeln, och endast ljuset som sprids av partiklarna riktas ut mot det mänskliga ögat. Sålunda framstår den gyllene spegeln som svart och varje guldpartikel lyser som en stjärna.

Optisk modulationsgrad fångade forskarna på sängen. ”Jag låg på golvet och skrattade,” sade Brongersma om sin reaktion när Selvin visade honom resultaten av sina första experiment.

”Jag trodde att det skulle vara en väldigt subtil effekt, men jag förvånades över hur många nanometerförändringar i avstånd kan förändra ljusspridningsegenskaperna så dramatiskt.”

Den exceptionella justerbarheten, lilla formfaktorn och effektiviteten hos den nya enheten kan förvandla ett antal kommersiella områden. Man kan föreställa sig ultratunna videodisplayer, ultrahastig optisk kommunikation baserad på akusto-optiks högfrekventa möjligheter, eller kanske nya holografiska virtuell verklighet headset som är mycket mindre än dagens klumpiga displayer, bland andra applikationer.

'När vi kan kontrollera ljuset så effektivt och dynamiskt,' sa Brongersma, 'kan vi göra allt med ljus som vi skulle vilja—holografi, strålmanövrering, 3D-displayer—allting.'

För mer information: Skyler Peitso Selvin et al, Acoustic wave modulation of gap plasmon cavities, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv1728. www.science.org/doi/10.1126/science.adv1728

Tidskriftsinformation: Science

Tillhandahållet av Stanford University