В журнале Science опубликована статья
В статье, опубликованной в журнале Science, профессор материаловедения и инженерии Стэнфордского университета Марк Бrongersma и кандидат наук Скайлер Селвин описывают новый способ использования звука для управления светом, который был ограничен зазорами всего в несколько нанометров. Это позволило исследователям точно контролировать цвет и интенсивность света.
Потенциальные применения
Результаты исследования могут иметь большое значение в различных областях, от компьютерных дисплеев и виртуальной реальности до 3D-голографических изображений, оптической связи и даже новых сверхбыстрых световых нейронных сетей.
Простое, но эффективное устройство
Новое устройство не первое, которое использует звук для управления светом, но оно меньше и потенциально более практично и мощно, чем обычные методы. С инженерной точки зрения акустические волны привлекательны тем, что могут вибрировать очень быстро, миллиарды раз в секунду.
Преодоление ограничений
К сожалению, смещения атомов, создаваемые акустическими волнами, чрезвычайно малы — примерно в 1000 раз меньше длины волны света. Поэтому акустооптическим устройствам приходилось быть больше и толще, чтобы усилить крошечный эффект звука — слишком большими для сегодняшнего наномасштабного мира.
«В оптике большое — значит медленное, — говорит Бrongersma. — Так что малый размер этого устройства делает его очень быстрым».
Как это работает
Новое устройство обманчиво просто. Тонкое золотое зеркало покрыто ультратонким слоем эластичного полимера на основе силикона толщиной всего несколько нанометров. Исследовательская группа может изготовить силиконовый слой нужной толщины — от 2 до 10 нанометров. Для сравнения, длина волны света составляет почти 500 нанометров.
Затем исследователи наносят массив золотых наночастиц размером 100 нанометров на силикон. Наночастицы плавают, как золотые пляжные мячи, в океане полимера на зеркальном морском дне. Свет собирается наночастицами и зеркалом и фокусируется на силиконе между ними, уменьшая свет до наномасштаба.
Сбоку прикреплён специальный ультразвуковой динамик — чередующийся преобразователь (IDT), который посылает высокочастотные звуковые волны, пульсирующие по плёнке почти миллиард раз в секунду. Высокочастотные звуковые волны (поверхностные акустические волны, SAW) скользят по поверхности золотого зеркала под наночастицами. Эластичный полимер действует как пружина, растягиваясь и сжимаясь, когда наночастицы подпрыгивают вверх и вниз под воздействием звуковых волн.
Исследователи направляют свет в систему. Свет сжимается в колеблющиеся промежутки между золотыми наночастицами и золотой плёнкой. Промежутки меняют размер всего на несколько атомов в ширину, но этого достаточно, чтобы оказать значительное влияние на свет.
Размер промежутков определяет цвет света, резонирующего от каждой наночастицы. Исследователи могут контролировать промежутки, модулируя акустическую волну, и, следовательно, контролировать цвет и интенсивность каждой частицы.
«В этом узком промежутке свет сжимается так сильно, что даже малейшее движение существенно влияет на него, — говорит Селвин. — Мы управляем светом с длиной волны в нанометрах, где обычно для акустической модуляции света требовались миллиметры».
Когда на систему сбоку направлен белый свет и включена звуковая волна, результатом является серия мерцающих разноцветных наночастиц на чёрном фоне, как звёзды, мерцающие в ночном небе. Любой свет, который не попадает 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, — сказал Бrongersma о своей реакции, когда Селвин показал ему результаты своих первых экспериментов. — Я думал, что это будет очень тонкий эффект, но был поражён тем, насколько изменения на несколько нанометров могут кардинально изменить свето рассеивающие свойства».
Перспективы
Исключительная настраиваемость, малый форм-фактор и эффективность нового устройства могут преобразовать множество коммерческих областей. Можно представить себе ультратонкие видеодисплеи, сверхбыструю оптическую связь, основанную на высокочастотных возможностях акустооптики, или, возможно, новые голографические гарнитуры виртуальной реальности, которые намного меньше громоздких дисплеев сегодняшнего дня.