Een team van onderzoekers van Stanford University heeft zojuist een belangrijke stap gezet op het gebied van lichtcontrole op nanoschaal. Dankzij een eenvoudig maar revolutionair apparaat zijn ze erin geslaagd om de kleur en intensiteit van licht met de hoogste precisie te manipuleren met behulp van… geluid. Deze vooruitgang opent fascinerende perspectieven op vele gebieden, van holografische visualisatie tot virtual reality en optische neurale netwerken.
Millimeteruitdagingen voor licht op nanometerschaal
Al decennia lang fascineert licht wetenschappers door zowel zijn golvende aard als de complexiteit van de beheersing ervan op zeer kleine schaal. In de wereld van de optica maakt miniaturisatie van componenten het mogelijk om de snelheid, nauwkeurigheid en efficiëntie van apparaten te verhogen. Maar de modulatie van licht op nanometerschaal – aanzienlijk kleiner dan de eigen golflengte, die ongeveer 500 nanometer bedraagt – bleef tot nu toe een groot probleem.
Het gebruik van geluid om licht te veranderen, acousto-optica genaamd, is al lang bekend. Hiervoor waren echter altijd relatief omvangrijke apparaten nodig, omdat de verplaatsingen die door akoestische golven worden veroorzaakt zeer klein zijn: ongeveer duizend keer kleiner dan de golflengte van licht. Om deze effecten te versterken, moesten de oude apparaten groot zijn, en dus traag, wat onverenigbaar is met de moderne eisen op het gebied van snelheid en compactheid.
Eenvoudige, maar effectieve constructie
Hier verandert de innovatie van het Stanford-team onder leiding van professor Mark Brogersma en promovendus Skyler Selwyn de situatie. Hun apparaat is gebaseerd op een even eenvoudige als effectieve architectuur: een dunne laag siliconenpolymeer aangebracht op een gouden spiegel, bekroond met een netwerk van gouden nanodeeltjes.
De sleutel tot het succes ligt in de dikte van de polymeerlaag, die tot op enkele nanometers nauwkeurig wordt gecontroleerd (van 2 tot 10 nm). Deze elastische film werkt als een veer: onder invloed van zeer hoge frequenties (in de orde van gigahertz) krimpt en zet hij onmerkbaar uit. Deze minuscule trillingen zijn voldoende om de afstand tussen de goudnanodeeltjes en het spiegeloppervlak te veranderen – een minimale verandering, maar met een indrukwekkend effect op het licht.
Ongekende interactie tussen licht en geluid
Wanneer wit licht op dit systeem wordt geprojecteerd, wordt het tussen de nanodeeltjes en het spiegeloppervlak vastgehouden. Op deze schaal kunnen echter zelfs veranderingen van slechts één nanometer de manier waarop het licht wordt verstrooid drastisch veranderen. Door de akoestische trillingen te regelen, kunnen de onderzoekers de kleur en intensiteit van het licht dat door elk nanodeeltje wordt uitgezonden, veranderen.
Het resultaat is even esthetisch als fascinerend: in het donker schitteren de nanodeeltjes als een sterrenhemel, elk met hun eigen kleur. Het gouden spiegeloppervlak weerkaatst het niet-geabsorbeerde licht, waardoor het contrast wordt versterkt en elk lichtpuntje een verbluffende glans krijgt.
Op weg naar praktische toepassing in het dagelijks leven
Naast het demonstreren van het principe heeft deze technologie enorme mogelijkheden. Ze kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe soorten ultradunne schermen die beelden met een ongeëvenaarde diepte en kleurintensiteit kunnen weergeven. Ook lichtere, nauwkeurigere en energiezuinigere virtual reality- en augmented reality-helmen kunnen hiervan profiteren.
Op het gebied van optische communicatie kan deze snelle en nauwkeurige modulatie van licht worden gebruikt om meer informatie sneller en energiezuiniger over te dragen. Ten slotte opent deze technologie de weg naar fotonische neurale netwerken die licht in plaats van elektriciteit gebruiken voor berekeningen – een veelbelovende richting voor de kunstmatige intelligentie van de toekomst.
Een wereld die opnieuw moet worden uitgevonden op nanoschaal
Deze doorbraak markeert een keerpunt in de manier waarop we met licht kunnen omgaan. Met een compact, snel en verbazingwekkend eenvoudig te vervaardigen apparaat tonen onderzoekers van Stanford aan dat het nu mogelijk is om de fundamentele eigenschappen van licht op een schaal van enkele atomen te manipuleren.
Het gaat niet langer om een eenvoudige miniaturisering van het bestaande, maar om een volledig nieuwe manier van denken over het beheersen, moduleren en gebruiken van licht. Deze revolutie wordt mogelijk gemaakt door de combinatie van mechanica, optica en materiaalkunde.
