Nanodevice gebruikt geluid om licht te beeldhouwen, de weg vrij te slaan voor betere displays en beeldvorming

Licht kan zich op zeer onverwachte manieren gedragen wanneer u het in kleine ruimtes perspunt. In een papier in het dagboek WetenschapMark Brongersma, een professor in materiaalwetenschap en engineering aan de Stanford University, en promotie -kandidaat Skyler Selvin beschrijven de nieuwe manier waarop ze geluid hebben gebruikt om licht te manipuleren dat beperkt is om slechts een paar nanometer over te gaan – waardoor de onderzoekers uitstekende controle over de kleur en intensiteit van het licht mechanisch licht kunnen maken.

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

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

Helaas zijn de atomaire verplaatsingen geproduceerd door akoestische golven extreem klein – ongeveer 1000 keer kleiner dan de golflengte van licht. Acousto -optische apparaten moesten dus groter en dikker zijn om het kleine effect van Sound te versterken – te groot voor de hedendaagse nanoschaalwereld.

“In de optiek is groot gelijk aan,” zei Brongersma. “Dus de kleine schaal van dit apparaat maakt het erg snel.”

Eenvoud vanaf het begin

Het nieuwe apparaat is bedrieglijk eenvoudig. Een dunne gouden spiegel is bedekt met een ultradunne laag van een rubberachtig siliconen gebaseerd polymeer slechts enkele nanometer dik. Het onderzoeksteam kon de siliconenlaag fabriceren tot gewenste diktes – overal tussen de 2 en 10 nanometer. Ter vergelijking is de golflengte van het licht bijna 500 nanometers punt tot staart.

De onderzoekers storten vervolgens een reeks 100 -nanometer gouden nanodeeltjes over de siliconen. De nanodeeltjes zweven als gouden strandballen op een oceaan van polymeer bovenop een gespiegelde zeebodem. Licht wordt verzameld door de nanodeeltjes en spiegel en gefocust op de siliconen tussen – het licht versterken naar het nanoschaal.

Aan de zijkant bevestigen ze een speciaal soort echografie -luidspreker – een onderling verbonden transducer, IDT – die hoogfrequente geluidsgolven die bijna een miljard keer per seconde over de film over de film kabbelen. De hoogfrequente geluidsgolven (oppervlakte -akoestische golven, zagen) surfen langs het oppervlak van de gouden spiegel onder de nanodeeltjes. Het elastische polymeer werkt als een veer, stretchen en comprimeren terwijl de nanodeeltjes op en neer dobberen terwijl de geluidsgolven door.

De onderzoekers schijnen vervolgens licht in het systeem. Het licht wordt geperst in de oscillerende gaten tussen de gouden nanodeeltjes en de goudfilm. De openingen veranderen in grootte door de loutere breedte van enkele atomen, maar het is voldoende om een groot effect op het licht te produceren.

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

“In deze smalle opening wordt het licht zo stevig geperst dat zelfs de kleinste beweging het aanzienlijk beïnvloedt,” zei Selvin. “We regelen het licht met lengtes op de nanometerschaal, waar meestal millimeters nodig zijn om akoestisch licht te moduleren.”

Sterrenhemel, sterrenhemel

Wanneer wit licht van de zijkant wordt geschoren en de geluidsgolf wordt ingeschakeld, is het resultaat een reeks flikkerende, veelkleurige nanodeeltjes tegen een zwarte achtergrond, zoals sterren die in de nachtelijke hemel kronkelen. Elk licht dat geen nanodeeltje treft, wordt door de spiegel uit het gezichtsveld gestuiterd, en alleen het licht dat wordt verspreid door de deeltjes wordt naar buiten gericht naar het menselijk oog. De gouden spiegel lijkt dus zwart en elk gouden nanodeeltje schijnt als een ster.

De mate van optische modulatie heeft de onderzoekers overrompeld. “Ik rolde op de grond lachend,” zei Brongersma over zijn reactie toen Selvin hem de resultaten van zijn eerste experimenten liet zien.

“Ik dacht dat het een zeer subtiel effect zou zijn, maar ik was verbaasd over hoeveel nanometerveranderingen in afstand de lichtverstrooiingseigenschappen zo dramatisch kunnen veranderen.”

De uitzonderlijke afwijzing, kleine vormfactor en efficiëntie van het nieuwe apparaat kunnen een willekeurig aantal commerciële velden transformeren. Men kan zich ultrathin -videodisplays voorstellen, ultra -snelle optische communicatie op basis van de hoogfrequente mogelijkheden van akoestische optiek, of misschien nieuwe holografische virtual reality -headsets die veel kleiner zijn dan de omvangrijke displays van vandaag, naast andere applicaties.

“Wanneer we het licht zo effectief en dynamisch kunnen regelen,” zei Brongersma, “we kunnen alles doen met licht dat we zouden kunnen willen – hole, bundelbesturing, 3D -displays – alles.”