Наноустройство использует звук для создания световых эффектов, открывая путь к созданию более совершенных дисплеев и изображений.

Стэнфордский университет. под редакцией Сэди Харли , рецензент Роберт Эган

Свет может вести себя совершенно неожиданно, если его сжать до небольших размеров. В статье в журнале Science Марк Бронгерсма, профессор материаловедения и инженерии Стэнфордского университета, и докторант Скайлер Селвин описывают новый способ использования звука для управления светом, ограниченным зазорами шириной всего несколько нанометров, что позволяет исследователям точно контролировать цвет и интенсивность света механическим способом.

Результаты исследования могут иметь широкое применение в различных областях: от компьютеров и дисплеев виртуальной реальности до трехмерных голографических изображений, оптической связи и даже новых сверхбыстрых нейронных сетей на основе света. Новое устройство — не первое, манипулирующее светом с помощью звука, но оно меньше и потенциально практичнее и мощнее традиционных методов. С инженерной точки зрения акустические волны привлекательны тем, что могут вибрировать очень быстро — миллиарды раз в секунду. К сожалению, смещения атомов, создаваемые акустическими волнами, чрезвычайно малы — примерно в 1000 раз меньше длины волны света. Поэтому акустооптическим устройствам пришлось стать больше и толще, чтобы усилить даже самый слабый эффект звука — слишком велики для современного наномира. «В оптике большой — значит медленный», — сказал Бронгерсма. «Так что благодаря небольшому размеру это устройство работает очень быстро».

Простота с самого начала

Новое устройство обманчиво просто. Тонкое золотое зеркало покрыто сверхтонким слоем эластичного полимера на основе силикона толщиной всего несколько нанометров. Исследовательская группа смогла изготовить силиконовый слой нужной толщины — от 2 до 10 нанометров. Для сравнения, длина волны света составляет почти 500 нанометров от кончика до кончика. Затем исследователи наносят на силикон массив 100-нанометровых золотых наночастиц. Наночастицы плавают, словно золотые пляжные мячи, в полимерном океане на зеркальном дне. Свет собирается наночастицами и зеркалом и фокусируется на силиконе между ними, уменьшая его до наномасштаба. Сбоку они прикрепляют специальный ультразвуковой динамик — встречно-штыревой преобразователь (ВШП), который посылает высокочастотные звуковые волны, проходящие по плёнке с частотой почти миллиард раз в секунду. Высокочастотные звуковые волны (поверхностные акустические волны , ПАВ) распространяются по поверхности золотого зеркала под наночастицами. Эластичный полимер действует подобно пружине, растягиваясь и сжимаясь при колебаниях наночастиц вверх и вниз под действием звуковых волн. Затем исследователи освещают систему светом. Свет сжимается в колеблющиеся зазоры между золотыми наночастицами и золотой плёнкой. Размер зазоров изменяется всего на несколько атомов, но этого достаточно, чтобы оказать огромное влияние на свет. Размер зазоров определяет цвет света, резонирующего от каждой наночастицы. Исследователи могут управлять зазорами, модулируя акустическую волну, и, следовательно, контролировать цвет и интенсивность каждой частицы. «В этой узкой щели свет сжимается настолько сильно, что даже самое незначительное движение оказывает на него существенное влияние», — сказал Селвин. «Мы управляем светом на расстояниях в нанометровом диапазоне, тогда как для акустической модуляции света обычно требуются миллиметры».

Звездное, звездное небо

При боковом освещении белым светом и включении звуковой волны возникает ряд мерцающих разноцветных наночастиц на чёрном фоне, словно звёзды, мерцающие в ночном небе. Любой свет, не падающий на наночастицу, отражается зеркалом за пределы поля зрения, и только свет, рассеянный частицами, направляется наружу, к человеческому глазу. Таким образом, золотое зеркало кажется чёрным, а каждая золотая наночастица сияет, как звезда. Степень оптической модуляции застала исследователей врасплох. «Я катался по полу от смеха», — рассказал Бронгерсма о своей реакции, когда Селвин показал ему результаты своих первых экспериментов. «Я думал, что это будет очень тонкий эффект, но я был поражен тем, как много нанометров изменения расстояния могут так кардинально изменить свойства рассеивания света».

Исключительная настраиваемость, малый форм-фактор и эффективность нового устройства могут преобразовать множество коммерческих сфер. Можно представить себе сверхтонкие видеодисплеи, сверхскоростную оптическую связь, основанную на высокочастотных возможностях акустооптики, или, возможно, новые голографические гарнитуры виртуальной реальности, которые значительно меньше громоздких дисплеев сегодня, и другие области применения. «Когда мы сможем управлять светом настолько эффективно и динамично, — сказал Бронгерсма, — мы сможем делать со светом всё, что пожелаем: голографию, управление лучом, 3D-дисплеи — всё, что угодно».

источник: https://phys.org/news/2025-07-nanodevice-sculpt-paving-displays-imaging.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter

фото: Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain