A luz pode se comportar de maneiras bastante inesperadas quando comprimida em espaços pequenos. Em um artigo publicado na revista Science , Mark Brongersma, professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Stanford, e o doutorando Skyler Selvin descrevem a nova maneira como usaram o som para manipular a luz, que antes estava confinada a espaços de apenas alguns nanômetros de diâmetro — permitindo aos pesquisadores um controle primoroso sobre a cor e a intensidade da luz mecanicamente.

As descobertas podem ter amplas implicações em áreas que vão desde computadores e telas de realidade virtual até imagens holográficas 3D, comunicações ópticas e até mesmo novas redes neurais ultrarrápidas baseadas em luz.

O novo dispositivo não é o primeiro a manipular a luz com o som, mas é menor e potencialmente mais prático e potente do que os métodos convencionais. Do ponto de vista da engenharia, as ondas acústicas são atraentes porque podem vibrar muito rápido, bilhões de vezes por segundo.

Infelizmente, os deslocamentos atômicos produzidos por ondas acústicas são extremamente pequenos — cerca de 1.000 vezes menores que o comprimento de onda da luz. Assim, os dispositivos acusto-ópticos tiveram que ser maiores e mais espessos para amplificar o minúsculo efeito do som — grande demais para o mundo nanométrico atual.

"Em óptica, grande é sinônimo de lentidão", disse Brongersma. "Portanto, a pequena escala deste dispositivo o torna muito rápido."

O novo dispositivo é enganosamente simples. Um fino espelho de ouro é revestido com uma camada ultrafina de um polímero à base de silicone, com textura de borracha, com apenas alguns nanômetros de espessura. A equipe de pesquisa conseguiu fabricar a camada de silicone com espessuras desejadas — entre 2 e 10 nanômetros. Para efeito de comparação, o comprimento de onda da luz é de quase 500 nanômetros, da ponta à cauda.

Os pesquisadores então depositam uma matriz de nanopartículas de ouro de 100 nanômetros sobre o silicone. As nanopartículas flutuam como bolas de praia douradas em um oceano de polímero sobre um fundo marinho espelhado. A luz é captada pelas nanopartículas e pelo espelho e focada no silicone entre elas, reduzindo a luz à nanoescala.

Na lateral, eles conectam um tipo especial de alto-falante ultrassônico — um transdutor interdigitado, IDT — que envia ondas sonoras de alta frequência que ondulam através do filme a quase um bilhão de vezes por segundo. As ondas sonoras de alta frequência ( ondas acústicas de superfície , SAWs) percorrem a superfície do espelho de ouro sob as nanopartículas. O polímero elástico atua como uma mola, esticando e comprimindo enquanto as nanopartículas oscilam para cima e para baixo conforme as ondas sonoras passam.

Os pesquisadores então projetam luz no sistema. A luz é comprimida nas lacunas oscilantes entre as nanopartículas de ouro e o filme de ouro. As lacunas mudam de tamanho pela mera largura de alguns átomos, mas é o suficiente para produzir um efeito descomunal na luz.

O tamanho das lacunas determina a cor da luz que ressoa em cada nanopartícula. Os pesquisadores podem controlar as lacunas modulando a onda acústica e, assim, controlar a cor e a intensidade de cada partícula.

Quando uma luz branca é projetada lateralmente e a onda sonora é ativada, o resultado é uma série de nanopartículas multicoloridas e cintilantes contra um fundo preto, como estrelas cintilando no céu noturno. Qualquer luz que não incida sobre uma nanopartícula é refletida para fora do campo de visão pelo espelho, e apenas a luz espalhada pelas partículas é direcionada para fora, em direção ao olho humano. Assim, o espelho dourado parece preto e cada nanopartícula dourada brilha como uma estrela.

O grau de modulação óptica pegou os pesquisadores desprevenidos. "Eu estava rolando no chão de tanto rir", disse Brongersma sobre sua reação quando Selvin lhe mostrou os resultados de seus primeiros experimentos.

"Achei que seria um efeito muito sutil, mas fiquei surpreso com a quantidade de mudanças nanométricas na distância que podem mudar as propriedades de dispersão da luz de forma tão drástica."

A excepcional capacidade de ajuste, o pequeno formato e a eficiência do novo dispositivo podem transformar inúmeros setores comerciais. Podemos imaginar telas de vídeo ultrafinas, comunicações ópticas ultrarrápidas baseadas nas capacidades de alta frequência da acusto-óptica, ou talvez novos óculos de realidade virtual holográficos muito menores do que as telas volumosas de hoje, entre outras aplicações.

"Quando podemos controlar a luz de forma tão eficaz e dinâmica", disse Brongersma, "podemos fazer tudo o que quisermos com a luz: holografia, direcionamento de feixe, exibições 3D, qualquer coisa".