Увидеть звук, услышать изображение: физики случайно создали технологию, обещающую перевернуть мир VR и дисплеев
Человечество веками училось управлять светом. Мы создавали линзы, чтобы фокусировать его, зеркала, чтобы отражать, и фильтры, чтобы менять его цвет. Все эти инструменты работают в нашем, макроскопическом мире. Но что произойдёт, если попытаться «сжать» свет до невообразимо малых масштабов, заперев его в пространстве шириной в несколько атомов? Оказывается, там он начинает подчиняться совершенно новым правилам. И, что самое удивительное, управлять им можно с помощью звука.
Недавно команда из Стэнфордского университета под руководством профессора Марка Бронгерсмы представила устройство, которое делает именно это. Оно использует высокочастотные звуковые волны, чтобы буквально «ваять» свет на наноуровне. Это не просто изящный научный трюк. Это технология, способная перевернуть наше представление о дисплеях, виртуальной реальности и даже о скорости передачи информации.
«Нано-сэндвич»: как это устроено?
В основе изобретения лежит конструкция, которая на первый взгляд кажется обманчиво простой. Представьте себе крошечный многослойный «сэндвич»:
- Основа — идеально гладкое золотое зеркало.
- Начинка — сверхтонкий, почти невидимый слой эластичного полимера, похожего на силикон. Его толщина — всего несколько нанометров. Для сравнения, человеческий волос толще в десятки тысяч раз.
- Верхний слой — россыпь золотых наночастиц, похожих на микроскопические золотые бусины, плавающие на поверхности полимерного «океана».
Когда свет попадает на эту структуру, происходит нечто интересное. Зеркало и наночастицы работают как оптическая ловушка, концентрируя фотоны в тончайшем зазоре между «бусиной» и зеркальной поверхностью. Свет оказывается буквально сплющенным до наномасштаба. Но самое главное начинается потом.
Концерт для света и звука
Сбоку к этому «сэндвичу» инженеры подключают специальный источник ультразвука, который генерирует поверхностные акустические волны (ПАВ). Это не тот звук, который мы слышим, а скорее высокочастотная рябь, бегущая по поверхности зеркала с частотой почти в миллиард колебаний в секунду.
Эта звуковая рябь заставляет эластичный полимерный слой вибрировать — сжиматься и растягиваться. В такт этим вибрациям золотые наночастицы начинают «подпрыгивать» вверх-вниз. Их движение ничтожно — всего на ширину нескольких атомов. Но в мире нанофизики этого более чем достаточно.
Каждое «подпрыгивание» меняет размер зазора, в котором заперт свет. А размер этого зазора напрямую определяет, какой цвет будет резонировать и рассеиваться от наночастицы. Уменьшили зазор — получили один цвет, увеличили — другой. Контролируя звуковую волну, исследователи получили возможность с ювелирной точностью и невероятной скоростью управлять цветом и яркостью каждой отдельной наночастицы.
«В этом узком зазоре свет сжат так плотно, что даже малейшее движение значительно на него влияет», — объясняет аспирант Скайлер Селвин, один из авторов работы. По сути, учёные создали механический переключатель для света, только размером с молекулу.
Почему это прорыв? Проблема «большого и медленного»
Идея использовать звук для управления светом (это направление называется акустооптикой) не нова. Однако до сих пор все подобные устройства сталкивались с фундаментальной проблемой. Атомные смещения, вызванные звуком, крошечны, а эффект, который они оказывают на свет в обычном пространстве, — едва заметен. Чтобы его усилить, приборы приходилось делать большими и громоздкими.
А в мире оптики и электроники, как метко заметил профессор Бронгерсма, ««большой» значит «медленный»».
Стэнфордское устройство обходит это ограничение, перенося взаимодействие света и звука в наномасштаб. Там, где свет максимально сжат, даже микродвижения производят гигантский эффект. В результате устройство получилось не только крошечным, но и невероятно быстрым, способным переключать состояние света миллиарды раз в секунду.
Когда исследователи впервые увидели результат в микроскоп, он превзошёл все ожидания. При включении звука и подсветке белым светом чёрная зеркальная поверхность превратилась в ночное небо, усыпанное мерцающими разноцветными звёздами. Каждая «звезда» — это одна наночастица, чей цвет и яркость менялись в такт звуковой волне. По словам Бронгерсмы, он «катался по полу от смеха», настолько неожиданным и сильным оказался эффект.
Звёздное небо в лаборатории и будущее технологий
Эта картина «звёздного неба» — не просто красивый побочный эффект. Каждая такая «звезда» — это, по сути, сверхбыстрый, управляемый пиксель нового поколения. И это открывает фантастические перспективы.
- Дисплеи и виртуальная реальность. Современные VR-гарнитуры громоздки из-за сложной оптики. Представьте дисплей, состоящий из миллиардов таких наночастиц. Он может быть тонким, как лист бумаги, и при этом создавать сверхреалистичные 3D-изображения, например, для голографии или очков дополненной реальности, которые не отличить от обычных.
- Оптическая связь. Скорость интернета ограничена скоростью переключения электронных компонентов. Передача данных с помощью света намного быстрее, но для этого нужны эффективные и миниатюрные модуляторы. Новое устройство может стать основой для оптических чипов, передающих информацию со скоростью, недоступной сегодня.
- Научные приборы. Возможность «ваять» свет с такой точностью открывает дорогу к новым типам микроскопов и сенсоров.
«Когда мы сможем управлять светом так эффективно и динамично, — заключает Бронгерсма, — мы сможем делать с ним всё, что захотим». И глядя на это простое, но гениальное изобретение, в это легко поверить. Возможно, мы стоим на пороге эпохи, когда технологии станут не просто умными, но и почти невидимыми, вплетёнными в саму ткань материи.