Ljus kan bete sig på mycket oväntade sätt när det pressas in i små utrymmen. I en artikel i tidskriften Science beskriver Mark Brongersma, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, och doktoranden Skyler Selvin det nya sätt på vilket de har använt ljud för att manipulera ljus som har begränsats till mellanrum på bara några nanometer – vilket ger forskarna en extrem kontroll över ljusets färg och intensitet på mekanisk väg.
Resultaten kan få stora konsekvenser inom områden som dator- och virtual reality-skärmar, 3D-holografiska bilder, optisk kommunikation och till och med nya ultrasnabba, ljusbaserade neurala nätverk.
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 förskjutningar som akustiska vågor ger upphov till extremt små – cirka 1 000 gånger mindre än ljusets våglängd. Därför har akusto-optiska enheter varit tvungna att vara större och tjockare för att förstärka ljudets minimala effekt – för stora för dagens nanoskala.
”Inom optiken är stort lika med långsamt”, säger Brongersma. ”Den här enhetens små dimensioner gör den därför mycket snabb.”
Enkelhet från början
Den nya enheten är förvånansvärt enkel. En tunn guldspegel är belagd med ett ultratunt skikt av en gummiaktig silikonbaserad polymer som bara är några nanometer tjock. Forskningsteamet kunde tillverka silikonskiktet i önskad tjocklek – mellan 2 och 10 nanometer. Som jämförelse är ljusets våglängd nästan 500 nanometer från spets till spets.
Forskarna deponerade sedan en matris av 100 nanometer stora guldnanopartiklar över silikonet. Nanopartiklarna flyter som gyllene strandbollar på ett hav av polymer ovanpå en speglad havsbotten. Ljuset samlas av nanopartiklarna och spegeln och fokuseras på silikonet däremellan, vilket krymper ljuset till nanoskala.
På sidan fäster de en speciell typ av ultraljudshögtalare – en interdigiterad givare, IDT – som sänder högfrekventa ljudvågor som sprider sig över filmen nästan en miljard gånger per sekund. De högfrekventa ljudvågorna (akustiska ytvågor, SAW) surfar längs ytan av guldspegeln under nanopartiklarna. Den elastiska polymeren fungerar som en fjäder och sträcks ut och komprimeras när nanopartiklarna guppar upp och ner när ljudvågorna passerar.
Forskarna lyser sedan in ljus i systemet. Ljuset pressas in i de oscillerande mellanrummen mellan guldnanopartiklarna och guldfilmen. Mellanrummen ändrar storlek med bara några atomers bredd, men det räcker för att ge en enorm effekt på ljuset.
Storleken på mellanrummen avgör färgen på ljuset som resonerar från varje nanopartikel. Forskarna kan styra mellanrummen genom att modulera den akustiska vågen och därmed styra färgen och intensiteten hos varje partikel.
”I detta smala mellanrum pressas ljuset så hårt att även den minsta rörelse påverkar det avsevärt”, säger Selvin. ”Vi styr ljuset med längder i nanometerstorlek, där det normalt krävs millimeter för att modulera ljus akustiskt.”
Stjärnklar himmel
När vitt ljus lyser från sidan och ljudvågorna slås på, blir resultatet en serie flimrande, mångfärgade nanopartiklar mot en svart bakgrund, som stjärnor som blinkar på natthimlen. Allt ljus som inte träffar en nanopartikel reflekteras ut ur synfältet av spegeln, och endast det ljus som sprids av partiklarna riktas utåt mot det mänskliga ögat. Därför ser guldspegeln svart ut och varje guldnanopartikel lyser som en stjärna.
Graden av optisk modulering överraskade forskarna. ”Jag rullade runt på golvet av skratt”, säger Brongersma om sin reaktion när Selvin visade honom resultaten av sina första experiment.
”Jag trodde att det skulle bli en mycket subtil effekt, men jag blev förvånad över hur många nanometer avstånd som kan förändra ljusets spridningsegenskaper så dramatiskt.”
Den nya enhetens exceptionella inställbarhet, små dimensioner och effektivitet kan förändra en rad kommersiella områden. Man kan tänka sig ultratunna bildskärmar, ultrasnabb optisk kommunikation baserad på akusto-optikens högfrekvensegenskaper eller kanske nya holografiska virtual reality-headset som är mycket mindre än dagens skrymmande skärmar, bland andra tillämpningar.
”När vi kan styra ljuset så effektivt och dynamiskt”, säger Brongersma, ”kan vi göra allt vi vill med ljus – holografi, strålstyrning, 3D-skärmar – vad som helst.”
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
