En fjärils vingar och en påfågels fjädrar använder nanoskala arkitektur för att böja ljus och producera lysande färger utan pigment eller färgämnen, och forskare har försökt efterlikna naturens design.

Nu, forskare från mixed reality-teknikföretaget Magic Leap Inc., arbetar med forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har utvecklat nya, mångsidiga sätt att kontrollera och förbättra de ljusböjande egenskaperna hos syntetiska optiska nanostrukturer. Magic Leaps teknologi skapar visualiseringar som tillåter virtuella bilder att samexistera och interagera med en tittares faktiska omgivning i realtid.

Forskarnas prestation, redovisas i Vetenskapliga rapporter , möjliggör manipulering av ljus över vida vinklar, och över det synliga ljusspektrumet, på ett mycket effektivt sätt. Kärnan i deras arbete är en metod för att skapa två typer av kiselbaserade, ultratunna optiska komponenter.

"Vi kan nu skapa kiselytor som kan ta in ljus från ett stort antal ingångsvinklar och våglängder med minimal förlust av diffraktionseffektivitet, sa Stefano Cabrini, chef för Nanofabrication Facility vid Berkeley Labs Molecular Foundry, som specialiserat sig på verktyg och tekniker för FoU i nanoskala.

"Ingångsflexibiliteten och graden av kontroll som dessa nanostrukturer har över utgångsstrålen har aldrig setts förut, sa Cabrini.

Många befintliga optiska enheter är också utformade för att styra och manipulera ljus för avkänning, bildbehandling, och kommunikation, till exempel, men deras komponenter kan vara skrymmande och dyra, som de som används i vissa medicinska bildbehandlingsmaskiner och DSLR-kameror.

Att krympa dessa redskap ner till nanoskalan kan inleda en ny generation av prisvärda enheter med avancerad funktionalitet för telekommunikation, medicin, och konsumentprodukter. Listan över potentiella applikationer inkluderar "smarta" ytor som kan stöta bort vatten, ultrasnabb databehandling, hologram, och till och med "osynlighets"-kappor som kan dölja föremål genom att manipulera ljus.

Den nya tekniken förlitar sig på "optiska metasytor, " som är tvådimensionella strukturer konstruerade för att interagera med ljusvågor på sätt som naturliga material inte kan. Materialen kan ha lager som är några miljarddels meter (nanometer) tjocka, och innehåller optiska antenner i nanoskala som kan styra reflektion eller överföring av ljus. Deras ultratunna natur gör dem lätta att integrera i en mängd olika system.

Antireflekterande beläggningar, som de som används på glasögonlinser för att minska bländning, ge ett enkelt exempel på optiska metasytor. Många av dessa linsbeläggningar är gjorda av ultratunna (mätt i hundratals nanometer) transparenta strukturer vars arrangemang styr reflektionen av ljus som kommer in i linsen.

Forskargruppen från Magic Leap skapade de nya metasytorna genom att samarbeta med nanotillverkningsexperter vid Molecular Foundry. De ristade ett mönster av nanostrålar av kisel med en fokuserad elektronstråle och överförde sedan designen till ett ultratunt lager av kisel, endast omkring 20 till 120 nanometer i tjocklek. Dessa nanostrålar var arrangerade för att kontrollera antingen överföringen eller reflektionen av ljus.

Dessa metasytor är ett miniatyriserat exempel på diffraktionsgitter, som har räfflade ytor som kan dela och böja ljus, och fungerar på liknande sätt som hur ett prisma delar en ljusstråle till en regnbåge. Spåren kan arrangeras för att koncentrera det diffrakterade ljuset till en speciell ordning för en given våglängd, skapa specifika mönster.

Tidigare konstruktioner av metasytor som kan styra ultrakompakta ljusstrålar har varit funktionella, men begränsad. Dessa strukturer har tenderat att bara böja ljus till smala vinklar eftersom ökad vinkel gör enheterna ineffektiva.

Äldre design var också begränsad av både ljusets ingångsvinkel och våglängd. Inkommande ljus var tvungen att komma in i ytan i en 90-graders vinkel för att undvika en minskning av effektiviteten och var begränsad till våglängder i det infraröda spektrumet för att undvika problem med ljusabsorption, båda kan göra enheter opålitliga eller defekta.

Nanostrålarna som utgör var och en av de nya designerna var noggrant konstruerade för att styra ljuset när det passerar genom eller reflekteras från ytan. Storleken på nanostrålarna och avståndet mellan dem styr egenskaperna hos det utgående ljuset.

Genom att göra metasytorna av kisel, forskarna kunde dra fördel av tillverkningsteknik som är allmänt tillgänglig för detta material, vilket gör att deras arbete lättare kan skalas upp till massproduktion.