Наноустройство использует звук для управления светом, открывая новые возможности для дисплеев и визуализации

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Свет может вести себя очень неожиданно, когда его сжимают в крошечных пространствах. В статье, опубликованной в журнале Science, профессор материаловедения и инженерии Стэнфордского университета Марк Бронгерсма и докторант Скайлер Селвин описали новый способ управления светом с помощью звука, когда свет ограничен зазорами шириной всего в несколько нанометров. Это позволяет исследователям точно контролировать цвет и интенсивность света механическим способом.

Открытие может иметь широкие последствия для различных областей — от компьютерных и VR-дисплеев до 3D-голографических изображений, оптической связи и даже сверхбыстрых нейросетей на основе света.

Новое устройство не первое, использующее звук для управления светом, но оно значительно компактнее, практичнее и мощнее традиционных методов. С инженерной точки зрения, акустические волны привлекательны тем, что могут колебаться с очень высокой частотой — миллиарды раз в секунду.

К сожалению, атомные смещения, создаваемые акустическими волнами, крайне малы — примерно в 1000 раз меньше длины волны света. Поэтому акустооптические устройства до сих пор были громоздкими и толстыми, чтобы усилить этот крошечный эффект, что делало их непригодными для современных нанотехнологий.

«В оптике большой размер означает медленную работу, — пояснил Бронгерсма. — Поэтому компактность нашего устройства делает его очень быстрым».

Простота конструкции

Устройство обманчиво простое. Тонкое золотое зеркало покрыто сверхтонким слоем силиконового полимера толщиной всего несколько нанометров. Исследователи могли регулировать толщину этого слоя от 2 до 10 нанометров. Для сравнения, длина волны света составляет около 500 нанометров.

Затем на силикон наносится массив золотых наночастиц диаметром 100 нанометров. Частицы плавают, словно золотые мячики, на «океане» полимера над зеркальной поверхностью. Свет собирается наночастицами и зеркалом, фокусируясь в зазорах между ними — сжимаясь до наномасштаба.

Сбоку установлен специальный ультразвуковой излучатель (IDT), который создаёт высокочастотные звуковые волны, распространяющиеся по плёнке с частотой почти миллиард раз в секунду. Эти волны (поверхностные акустические волны, SAW) движутся вдоль золотой поверхности под наночастицами. Эластичный полимер действует как пружина, растягиваясь и сжимаясь, когда частицы колеблются под воздействием звука.

Когда исследователи направляют свет в систему, он сжимается в колеблющихся зазорах между наночастицами и золотой плёнкой. Размер зазоров меняется всего на несколько атомов, но этого достаточно, чтобы значительно повлиять на свет.

Размер зазоров определяет цвет света, резонирующего от каждой наночастицы. Управляя акустической волной, исследователи могут контролировать зазоры, а значит — цвет и интенсивность каждой частицы.

«В таком узком зазоре свет сжимается настолько сильно, что даже минимальное движение значительно влияет на него, — объяснил Селвин. — Мы управляем светом в нанометровом масштабе, тогда как раньше для акустической модуляции требовались миллиметры».

Мерцающие «звёзды»

Когда на систему направляют белый свет и включают звуковую волну, наночастицы начинают мерцать разными цветами на чёрном фоне, словно звёзды в ночном небе. Свет, не попадающий на частицы, отражается зеркалом, и только рассеянный частицами свет виден человеческому глазу. Таким образом, золотое зеркало кажется чёрным, а каждая наночастица сияет, как звезда.

Степень оптической модуляции удивила самих исследователей. «Я катался по полу от смеха, — признался Бронгерсма, вспоминая свою реакцию на первые результаты. — Я ожидал очень слабого эффекта, но был поражён, насколько несколько нанометров могут так сильно изменить свойства рассеяния света».

Исключительная управляемость, компактность и эффективность нового устройства могут изменить множество коммерческих сфер. Можно представить ультратонкие видеодисплеи, сверхбыструю оптическую связь или компактные голографические VR-шлемы вместо громоздких современных аналогов.

«Когда мы можем так эффективно и динамично управлять светом, — заключил Бронгерсма, — мы можем делать с ним всё что угодно: голографию, управление лучами, 3D-дисплеи — абсолютно всё».

Дополнительная информация: 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

Источник: Стэнфордский университет