Khi bị nén vào những không gian cực nhỏ, ánh sáng có thể biểu hiện theo những cách rất khó đoán. Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science, giáo sư Mark Brongersma và nghiên cứu sinh Skyler Selvin từ Đại học Stanford đã trình bày một phương pháp độc đáo: họ dùng âm thanh để điều khiển ánh sáng bị nhốt trong những khe hở chỉ vài nanomet. Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học điều chỉnh màu sắc và cường độ ánh sáng một cách chính xác bằng cơ học.

Nghiên cứu này hứa hẹn mang đến nhiều ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực, từ màn hình máy tính và trải nghiệm thực tế ảo sống động, đến công nghệ hình ảnh ba chiều tiên tiến, truyền dẫn dữ liệu quang học tốc độ cao, và cả việc kiến tạo các mạng nơ-ron quang học siêu nhanh, thế hệ mới. Mặc dù đây không phải là lần đầu tiên ánh sáng được điều khiển bằng âm thanh, thiết bị mới này vượt trội hơn các kỹ thuật hiện có nhờ kích thước nhỏ gọn, tính ứng dụng cao và hiệu năng mạnh mẽ. Xét về mặt kỹ thuật, sóng âm là một công cụ lý tưởng bởi khả năng dao động cực nhanh, đạt đến hàng tỷ chu kỳ mỗi giây.

Đáng tiếc, sự dịch chuyển nguyên tử mà sóng âm tạo ra lại cực kỳ nhỏ, chỉ bằng khoảng 1/1.000 bước sóng ánh sáng. Điều này buộc các thiết bị âm - quang học truyền thống phải có kích thước lớn và dày để khuếch đại hiệu ứng nhỏ bé của âm thanh - một kích thước quá cồng kềnh đối với thế giới công nghệ nano hiện đại.

Brongersma đã giải thích: "Trong lĩnh vực quang học, kích thước lớn đồng nghĩa với tốc độ chậm. Do đó, thiết bị có kích thước nhỏ gọn này sẽ giúp nó có thể hoạt động rất nhanh". Thiết bị mới này có vẻ đơn giản đến ngạc nhiên. Một gương vàng mỏng được phủ một lớp polymer silicone mềm mại cực mỏng, chỉ vài nanomet. Nhóm nghiên cứu có thể chế tạo lớp silicone với độ dày mong muốn - từ 2 đến 10 nanomet. Để so sánh, bước sóng của ánh sáng gần 500 nanomet từ đầu đến cuối.

Các nhà nghiên cứu sau đó đặt một mảng gồm các hạt nano vàng có kích thước 100 nanomet trên lớp silicone. Những hạt nano vàng óng lấp lánh nổi trên bề mặt polymer mềm mại, phía dưới là lớp gương phẳng như mặt biển. Ánh sáng được các hạt nano và gương thu gom lại, sau đó tập trung vào lớp silicone ở giữa, từ đó thu nhỏ ánh sáng về kích thước nano.

Ở một cạnh của thiết bị, các nhà khoa học lắp một loại loa siêu âm đặc biệt - được gọi là đầu dò xen kẽ (IDT). Thiết bị này tạo ra sóng âm tần số cao truyền dọc theo lớp màng với tốc độ gần một tỷ lần mỗi giây. Những sóng âm tần số cao này, hay còn gọi là sóng âm bề mặt (SAWs), "lướt" trên bề mặt gương vàng ngay bên dưới các hạt nano. Lớp polymer đàn hồi hoạt động như một lò xo, giãn ra và co lại theo nhịp sóng âm, khiến các hạt nano nhấp nhô theo.

Sau đó, các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng vào hệ thống. Ánh sáng bị ép vào các khoảng trống dao động giữa các hạt nano vàng và lớp màng vàng. Các khoảng trống thay đổi kích thước chỉ bằng chiều rộng của vài nguyên tử, nhưng điều đó đủ để tạo ra một hiệu ứng lớn đối với ánh sáng.

Kích thước của các khoảng trống quyết định màu sắc của ánh sáng cộng hưởng từ mỗi hạt nano. Các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát các khoảng trống bằng cách điều chỉnh sóng âm, và do đó kiểm soát màu sắc và cường độ của từng hạt. Selvin cho biết: "Trong khoảng trống hẹp này, ánh sáng bị ép chặt đến mức ngay cả chuyển động nhỏ nhất cũng ảnh hưởng đáng kể đến nó. Chúng tôi đang điều khiển ánh sáng với độ dài ở cấp độ nanomet, trong khi thông thường sẽ phải cần đến cấp độ milimet để có thể điều chỉnh ánh sáng bằng âm thanh".

Khi ánh sáng trắng được chiếu từ một bên, cùng lúc sóng âm được bật, kết quả tạo ra sau đó là một loạt các hạt nano đa màu sắc nhấp nháy trên nền đen, giống như những ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm. Bất kỳ ánh sáng nào không chiếu vào hạt nano đều bị gương phản xạ ra khỏi tầm nhìn, và chỉ ánh sáng bị các hạt nano tán xạ mới được hướng ra ngoài về phía mắt người. Do đó, gương vàng có vẻ đen và mỗi hạt nano vàng tỏa sáng như một ngôi sao.

Khả năng điều chỉnh đặc biệt, kích thước nhỏ gọn và hiệu quả của thiết bị mới có thể thay đổi bất kỳ lĩnh vực thương mại nào. Người ta có thể hình dung ra các màn hình video siêu mỏng, truyền thông quang học siêu nhanh dựa trên khả năng tần số cao của âm - quang học, hoặc có thể là các bộ kính thực tế ảo ba chiều mới, nhỏ gọn hơn nhiều so với những màn hình cồng kềnh hiện nay, cùng nhiều ứng dụng khác.

"Khi chúng ta có thể kiểm soát ánh sáng một cách hiệu quả và linh hoạt như vậy, chúng ta có thể làm mọi thứ với ánh sáng mà chúng ta muốn – tạo hình ba chiều, điều hướng chùm tia, màn hình 3D - bất cứ thứ gì", Brongersma nói.

P.T.T (NASATIS), theo https://phys.org, 8/2025