Äänellä valoa muokaten

Tutkijat ovat löytäneet uuden tavan käyttää korkeataajuisia akustisia aaltoja valon mekaaniseen manipulointiin nanometritasolla.

Valo voi käyttäytyä hyvin odottamattomilla tavoilla, kun sitä puristaa pieniin tiloihin. Uudessa tutkimusartikkelissa Stanfordin yliopiston professori Mark Brongersma ja tohtorikoulutettava Skyler Selvin kuvaavat uudenlaista tapaa, jossa he ovat käyttäneet ääntä manipuloidakseen valoa, joka on aiemmin rajoittunut vain muutaman nanometrin kokoisiin rakoihin – mikä on antanut tutkijoille mahdollisuuden hallita valon väriä ja voimakkuutta mekaanisen tarkasti.

Löydöksillä voi olla laaja-alaisia vaikutuksia eri aloilla tietokone- ja virtuaalitodellisuusnäytöistä 3D-holografisiin kuviin, optiseen viestintään ja jopa uusiin ultranopeisiin, valoon perustuviin neuroverkkoihin.

Uusi rakenne ei ole ensimmäinen, joka manipuloi valoa äänellä, mutta se on pienempi ja mahdollisesti käytännöllisempi ja tehokkaampi kuin perinteiset menetelmät. Teknisestä näkökulmasta akustiset aallot ovat houkuttelevia, koska ne voivat värähdellä erittäin nopeasti, miljardeja kertoja sekunnissa. Valitettavasti akustisten aaltojen tuottamat atomien siirtymät ovat erittäin pieniä – noin 1 000 kertaa pienempiä kuin valon aallonpituus. Siksi akustis-optisten laitteiden on täytynyt olla suurempia ja paksumpia vahvistaakseen äänen pientä vaikutusta – liian suurta nykypäivän nanoskaalan maailmaan.

”Optiikassa suuri tarkoittaa hitautta”, Brongersma sanoi. ”Joten tämän laitteen pieni koko tekee siitä erittäin nopean.”

Uusi rakenne on petollisen yksinkertainen. Ohut kultapeili on päällystetty erittäin ohuella, vain muutaman nanometrin paksuisella kumimaisella silikonipohjaisella polymeerikerroksella.

Tutkijat kerrostavat sitten 100 nanometrin kulta-nanopartikkeleita silikonin päälle. Nanopartikkelit kelluvat kuin kultaiset rantapallot polymeerimeressä peilimäisen merenpohjan pinnalla. Nanopartikkelit ja peili keräävät valoa ja kohdistavat sen väliin jäävään silikoniin – kutistaen valon nanomittakaavaan.

Sivulle he kiinnittävät erityisen ultraäänikaiuttimen – interdigitoidun muuntimen (IDT) – joka lähettää korkeataajuisia ääniaaltoja väreilemään kalvon poikki lähes miljardi kertaa sekunnissa. Korkeataajuiset ääniaallot (pinta-akustiset aallot, SAW) kulkevat kultapeilin pintaa pitkin nanopartikkelien alla. Elastinen polymeeri toimii kuin jousi, joka venyy ja puristuu nanopartikkelien liikkuessa ylös ja alas ääniaaltojen kulkiessa ohi.

”Kun pystymme ohjaamaan valoa niin tehokkaasti ja dynaamisesti”, Brongersma sanoi, ”voimme tehdä valolla mitä tahansa – holografiaa, säteen ohjausta, 3D-näyttöjä – mitä tahansa.”

Aiheesta aiemmin:

Akustisia ja magnetoresistanssin ilmiöitä

Fononit ja magnonit kaveraavat

Valoa valolla ohjaten